Установка для смешения компонентов смесевого твердого ракетного топлива Российский патент 2023 года по МПК C06B21/00 B01F27/92 

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к установкам для смешения смесевых твердых ракетных топлив. Настоящая установка может быть применена в промышленности при изготовлении твердотопливных двигателей различных классов ракет, взрывчатых составов и других изделий аналогичного назначения.

Развитие ракетной техники выдвигает все более высокие требования к качеству зарядов смесевых твердых ракетных топлив, стабильности их основных характеристик и тем самым - к разработке высокоэффективных методов приготовления топливных масс, поскольку основные характеристики заряда формируются на этой фазе производства.

Аналогом настоящего изобретения может быть принята установка для смешения компонентов взрывчатого состава по патенту Российской Федерации №2385853, опубл. 10.04.2010, содержащая верхний и нижний аппараты смешения со шнеками, устройство регулирования потока топливной массы размещенное между ними, имеющее внешний и внутренний цилиндрические корпуса и средство подачи сжатого воздуха в зазор между ними, с закрепленной на внутреннем корпусе эластичной мембраной и с размещенной в нем поперечной перегородкой, по обе стороны которой во внутреннем корпусе выполнены сквозные отверстия.

В этом устройстве регулирования потока перегородка выполнена с конусными вставками, что предотвращает образование застойных зон, но за счет дополнительных элементов, прикрепленных к поперечной перегородке усложняет конструкцию и ее изготовление. Форма конусных вставок создает некоторое сопротивление движению потока топливной массы из верхнего смесителя. А также в описании к патенту не конкретизируются показатели вязкости топлива и его механические характеристики. При этом следует отметить, что в процессе смешения и передавливания топливная масса подвергается механическому воздействию на макроуровне, т.е. перемещение топливной массы происходит большими объемами и при этом не обеспечивается оптимальная укладка частиц наполнителя и их покрытие полимерной связкой.

Также известно устройство для смешения компонентов взрывчатого состава по патенту Российской Федерации №2183603, опубл. 20.06.2002, принятое за прототип, содержащая верхний и нижний аппараты смешения со шнеками, устройство регулирования потока топливной массы размещенное между ними, имеющее внешний и внутренний цилиндрические корпуса и средство подачи сжатого воздуха в зазор между ними, с закрепленной на внутреннем корпусе эластичной мембраной и с размещенной в нем поперечной перегородкой, по обе стороны которой во внутреннем корпусе выполнены сквозные отверстия.

Устройство, принятое в качестве прототипа, имеет следующие недостатки:

1. в процессе смешения и передавливания топливная масса подвергается механическому воздействию на макроуровне, т.е. перемещение топливной массы происходит большими объемами. При этом не обеспечивается оптимальная укладка частиц наполнителя, их покрытие полимерной связкой, не устраняется контакт между крупными частицами наполнителя, не покрытыми связкой, что не позволяет уменьшить вязкость топливной массы и улучшить механические характеристики топлива. Для уменьшения вязкости (обычная практика в отрасли) в состав топлива вводят инертные добавки (например, ПАВ, лецитин), снижающие энергетические и механические характеристики топлива, а также уменьшающие гарантийный срок эксплуатации;

2. при движении топливной массы по устройству регулирования потока, в непосредственной близости от плоской поперечной перегородки, образуется застойная зона с не обновляемой топливной массой, которая может заполимеризоваться, что создаст опасность при чистке оборудования. Также может произойти попадание отвержденной, не вакуумированной топливной массы в вакуумный смеситель, а следовательно и в формуемое изделие, что приведет к браку изделия по монолитности.

Решаемой технической проблемой стала разработка установки для смешения компонентов смесевого твердого ракетного топлива, позволяющей существенно улучшить механические характеристики топлива, при одновременном обеспечении безопасности, как процесса передавливания топливной массы из верхнего аппарата смешения в нижний, так и процесса очистки устройства регулирования потока.

Техническим результатом является разрушение агломератов наполнителя, уменьшение вязкости перерабатываемой топливной массы без введения в состав инертных добавок, достижение равномерности покрытия частиц наполнителя полимерной связкой, при одновременном исключении застойных зон в устройстве регулирования потока.

Поставленная техническая проблема решается предлагаемой установкой для смешения компонентов смесевого твердого ракетного топлива, которая содержит верхний и нижний аппараты смешения со шнеками, устройство регулирования потока топливной массы размещенное между ними, имеющее внешний и внутренний цилиндрические корпуса и средство подачи сжатого воздуха в зазор между ними, с закрепленной на внутреннем корпусе эластичной мембраной и с размещенной в нем поперечной перегородкой, по обе стороны которой во внутреннем корпусе выполнены сквозные отверстия. Особенность заключается в том, что внешний корпус оснащен средством отвода сжатого воздуха, а средство подачи сжатого воздуха снабжено пульсатором, при этом средство подачи сжатого воздуха в зазор между внешним корпусом и мембраной выполнено в виде одной линии подачи, проходящей через пульсатор, а средство отвода сжатого воздуха выполнено в виде одного патрубка, оснащенного дросселем, или средство подачи сжатого воздуха в зазор между внешним корпусом и мембраной выполнено в виде двух линий подачи, проходящих через пульсатор в две зоны зазора, образованные круговым буртиком, имеющимся на внешней стороне эластичной мембраны и выполненным с возможностью скольжения по внутренней поверхности наружного корпуса, а средство отвода сжатого воздуха выполнено в виде двух патрубков, каждый из которых оснащен дросселем, при этом поперечная перегородка выполнена заодно целое с рассекателями потока в виде тела вращения равносторонней гиперболы, один из которых направлен вершиной в сторону верхнего аппарата смешения, а другой - в сторону рабочей полости нижнего аппарата смешения.

Установка пульсатора на линии подачи сжатого воздуха (например, доработанный клапан-пульсатор роторного типа по патенту №2555899) обеспечивает пульсирующее изменение расхода и давления воздуха в полости над эластичной мембраной (например, мембрана из смеси резиновой ИРП 1347 (VI-1a-22), ТУ 22.19.20-111-75233153-2018, изготовитель ООО «БХЗ»). Вибрация топливной массы создается за счет знакопеременных колебаний эластичной резиновой мембраны, что не нарушает целостность частиц наполнителя, соприкасающихся с вибрирующей поверхностью при одновременном соблюдении безопасности технологического процесса. Пульсирующее изменение давления воздуха над мембраной обеспечивает ее колебание, которое передается топливной массе, протекающей через узкий кольцевой зазор между мембраной и цилиндрической обечайкой внутреннего корпуса. Вибрация топливной массы в узком, сравнимом с размерами крупных частиц наполнителя, зазоре приводит к благоприятной укладке частиц наполнителя, покрытию всех частиц наполнителя полимерной связкой, а следовательно - уменьшению вязкости без введения в ее состав инертных добавок (например, ПАВ, лецитин), ухудшающих гарантийный срок эксплуатации, энергетические и механические характеристики топлива. Снижение вязкости топливной массы в нижнем аппарате смешения позволит улучшить дегазацию и качество перемешивания.

Оснащение дросселем средства отвода сжатого воздуха в устройстве регулирования потока обеспечивает проток воздуха через внешний корпус, позволяя регулировать уровень давления и расход воздуха, а также совершать пульсирующее изменение давления воздуха в зазоре над эластичной мембраной, создаваемое пульсатором.

Уровень давления воздуха во внешнем корпусе, толщину мембраны, частоту и амплитуду колебаний мембраны определяют экспериментально для каждого состава топливной массы.

Выполнение поперечной перегородки заодно целое с рассекателями потока в виде тела вращения равносторонней гиперболы, один из которых направлен вершиной в сторону верхнего аппарата смешения, а другой - в сторону рабочей полости нижнего аппарата смешения, исключает образование застойных зон, обеспечивает минимальное сопротивление движению топливной массы при одновременном обеспечении безопасности процесса передавливания топливной массы из верхнего аппарата смешения в нижний и в процессе очистки устройства регулирования потока. В технологии изготовления перегородки используют широко применяемые способы и оборудование (например, из стали марки 12Х18Н10Т на токарном станке).

В качестве верхнего аппарата смешения может быть использовано гидравлическое устройство вытеснения, а в качестве нижнего аппарата смешения - смеситель типа СНД для окончательного перемешивания и вакуумирования топливной массы.

Для составов с вязкостью до 6000 Па⋅с средство подачи сжатого воздуха в зазор между внешним корпусом и мембраной выполнено в виде одной линии подачи, проходящей через пульсатор, а средство отвода сжатого воздуха выполнено в виде одного патрубка, оснащенного дросселем (фиг. 1).

Для составов с вязкостью свыше 6000 Па⋅с, для увеличения поверхности взаимодействия эластичной мембраны с топливной массой и обеспечения колебаний мембраны, средство подачи сжатого воздуха в зазор между внешним корпусом и мембраной выполнено в виде двух линий подачи, проходящих через пульсатор в две зоны зазора, образованные круговым буртиком, размещенным на внешней стороне эластичной мембраны, разделяющий объем корпуса на две половины и выполненным с возможностью скольжения по внутренней поверхности наружного корпуса, а средство отвода сжатого воздуха выполнено в виде двух патрубков, каждый из которых оснащен дросселем (фиг. 2). В данной альтернативе колебание мембраны происходит вдоль оси и в радиальном направлении. Кольцевой буртик разделяет объем внутреннего корпуса на две половины, в каждую из которых подведена линия подачи воздуха от пульсатора. При вращении пульсатора воздух поочередно подается в каждый из объемов корпуса, а из другого истекает, что обеспечивает горизонтальное перемещение мембраны.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами (фиг. 1, фиг. 2), на которых схематично изображены альтернативы устройства регулирования потока топливной массы между верхним и нижним аппаратами смешения установки для смешения компонентов смесевого твердого ракетного топлива.

Изображенное на фиг. 1 устройство регулирования потока состоит из внутреннего корпуса 1, закрепленной на его цилиндрической поверхности эластичной мембраны 2 и внешнего корпуса 3. Внутренний корпус 1 содержит поперечную перегородку 4, выполненную заодно целое с рассекателями потока в виде тела вращения равносторонней гиперболы, один из которых направлен вершиной в сторону верхнего аппарата смешения, а другой - в сторону рабочей полости нижнего аппарата смешения 12. Между эластичной мембраной 2 и внешним корпусом 3 имеется полость 5, в которую подается сжатый воздух, расход и уровень давления которого регулируют дросселем 7. Шнеком 6 топливная масса подается из верхнего аппарата смешения в нижний через устройство регулирования потока. По обе стороны поперечной перегородки 4 на цилиндрической обечайке внутреннего корпуса 1 выполнены сквозные отверстия 8 и 9. На линии подачи сжатого воздуха в полость 5 установлен пульсатор 10 (например, клапан-пульсатор роторного типа), обеспечивающий пульсирующее изменение расхода и давления воздуха в полости 5.

Изображенное на фиг. 2 альтернативное устройство регулирования потока, отличающееся от устройства на фиг. 1 тем, что на эластичной мембране 2 выполнен кольцевой буртик 11, разделяющий объем внешнего корпуса 3 на две половины, в каждую из которых подведена линия подачи воздуха от пульсатора 10. При вращении пульсатора воздух поочередно подается в каждый из объемов внешнего корпуса 3, а из другого истекает, что обеспечивает горизонтальное перемещение кольцевого буртика 11 и эластичной мембраны 2.

Работа устройства заключается в следующем. В полость 5 подают сжатый воздух. В зависимости от вязкости, передавливаемой из верхнего аппарата смешения, топливной массы, дросселем 7 регулируют расход воздуха, чтобы обеспечить требуемый уровень давления воздуха в полости 5 над эластичной мембраной 2 и включают пульсатор 10. Предварительно смешанную в верхнем аппарате топливную массу шнеком 6 передавливают через устройство регулирования потока. При этом во внутреннем корпусе устройства регулирования потока 1 создается давление топливной массы, превышающее давление воздуха в полости 5, под действием которого топливная масса отжимает эластичную мембрану 2 от стенок внутреннего корпуса 1 с образованием кольцевого зазора, в который топливная масса втекает через сквозные отверстия 8. Пульсатор 10 обеспечивает пульсирующее изменение давления воздуха в полости 5. Частоту колебаний давления воздуха в полости 5 регулируют изменением частоты вращения электромотора, обеспечивающего вращение ротора пульсатора 10. Пульсатор 10 и дроссель 7 обеспечивают вибрацию эластичной мембраны 2 в радиальном и осевом направлениях, что позволяет уменьшить вязкость топливной массы, движущейся по кольцевому зазору при одновременном обеспечении безопасности. Затем топливная масса с пониженной вязкостью через сквозные отверстия 9 перетекает в рабочую полость нижнего аппарата смешения 12. После передавливания всей топливной массы в рабочую полость нижнего аппарата смешения 12, отключают вращение шнека верхнего аппарата смешения 6 и вращение ротора пульсатора 10. При этом эластичная мембрана 2 за счет упругих свойств и давления воздуха в полости 5 сжимается, перекрывая сквозные отверстия 8 и 9, тем самым герметизируя рабочую полость нижнего аппарата смешения 12, в котором топливная масса с пониженной вязкостью дополнительно перемешивается, вакуумируется и подается в корпус ракетного двигателя.

Испытания предлагаемой установки для смешения компонентов смесевого твердого ракетного топлива проведены на модельном составе на основе хлорида калия (KCl) с вязкостью 4500 Па⋅с (до 6000 Па⋅с) и на том же модельном составе на основе хлорида калия (KCl) с повышенным содержанием мелкой фракции наполнителя с вязкостью 6800 Па⋅с (свыше 6000 Па⋅с).

В смесителе непрерывного действия СНД-5 топливную массу, предварительно смешанную под вакуумом, формовали в пресс-формы диаметром 90 мм, длиной 150 мм с использованием устройства регулирования потока без вибрации эластичной мембраны и с вибрацией. Для модельного состава с вязкостью до 6000 Па⋅с использовали одну линию подачи сжатого воздуха, давление воздуха, подаваемое во внешний корпус - 0,5 МПа, частоту вибрации воздуха - 75 Гц (фиг. 1), а для модельного состава с вязкость свыше 6000 Па⋅с использовали две линии подачи сжатого воздуха, давление воздуха, подаваемое во внешний корпус - 0,6 Мпа и частоту вибрации воздуха - 85 Гц (фиг. 2).

Вязкость топливной массы и механические характеристики отвержденного смесевого твердого ракетного топлива приведены в таблице.

Данные, приведенные в таблице, показывают, что применение предлагаемого изобретения обеспечивает уменьшение вязкости перерабатываемой топливной массы без введения в состав инертных добавок, а также существенно улучшает механические характеристики топлива за счет разрушения агломератов твердых компонентов и более равномерного покрытия твердых частиц наполнителя полимерным связующим.

Предлагаемая совокупность отличительных от прототипа признаков с остальными существенными признаками заявляемой установки для смешения компонентов смесевого твердого ракетного топлива позволяет решить поставленную проблему с получением технического результата, который невозможно достичь известными из уровня техники способами.

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к установкам для смешения смесевых твердых ракетных топлив. Установка для смешения компонентов смесевого твердого ракетного топлива содержит верхний и нижний аппараты смешения со шнеками, устройство регулирования потока топливной массы, размещенное между ними, имеющее внешний и внутренний цилиндрические корпуса. Внешний корпус оснащен средством отвода сжатого воздуха с дросселем и средством подачи сжатого воздуха, снабженного пульсатором. На внутреннем корпусе закреплена эластичная мембрана и внутри него размещена поперечная перегородка, по обе стороны которой выполнены сквозные отверстия. Средство подачи сжатого воздуха в зазор между внешним корпусом и мембраной выполнено в виде одной или двух линий, проходящих через пульсатор. Поперечная перегородка выполнена заодно целое с рассекателями потока в виде тела вращения равносторонней гиперболы, один из которых направлен вершиной в сторону верхнего аппарата смешения, а другой - в сторону рабочей полости нижнего аппарата смешения. Обеспечивается уменьшение вязкости перерабатываемой топливной массы и улучшение механических характеристик топлива. 1 табл., 2 ил.

Установка для смешения компонентов смесевого твердого ракетного топлива, содержащая верхний и нижний аппараты смешения со шнеками, устройство регулирования потока топливной массы, размещенное между ними, имеющее внешний и внутренний цилиндрические корпуса и средство подачи сжатого воздуха в зазор между ними, с закрепленной на внутреннем корпусе эластичной мембраной и с размещенной в нем поперечной перегородкой, по обе стороны которой во внутреннем корпусе выполнены сквозные отверстия, отличающаяся тем, что внешний корпус оснащен средством отвода сжатого воздуха, а средство подачи сжатого воздуха снабжено пульсатором, при этом средство подачи сжатого воздуха в зазор между внешним корпусом и мембраной выполнено в виде одной линии подачи, проходящей через пульсатор, а средство отвода сжатого воздуха выполнено в виде одного патрубка, оснащенного дросселем, или средство подачи сжатого воздуха в зазор между внешним корпусом и мембраной выполнено в виде двух линий подачи, проходящих через пульсатор в две зоны зазора, образованные круговым буртиком, имеющимся на внешней стороне эластичной мембраны и выполненным с возможностью скольжения по внутренней поверхности наружного корпуса, а средство отвода сжатого воздуха выполнено в виде двух патрубков, каждый из которых оснащен дросселем, при этом поперечная перегородка выполнена заодно целое с рассекателями потока в виде тела вращения равносторонней гиперболы, один из которых направлен вершиной в сторону верхнего аппарата смешения, а другой - в сторону рабочей полости нижнего аппарата смешения.