Устройство для исследования конструкционных материалов на возгорание в среде газообразного окислителя, содержащего частицы различных материалов (варианты)

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к устройствам исследования образцов конструкционных материалов (КМ) в среде газообразного окислителя при различных давлениях и температурах. Технический результат заключается в разработке устройства, позволяющего проведение испытания моделей элементов реальных конструкций с инициаторами зажигания (частицами), переносимыми потоком окислительного газа. Предлагаемое устройство для исследования образцов КМ на возгорание в потоке газообразного окислителя, содержащего частицы различных материалов, реализуется в двух вариантах. Оба варианта устройств состоят из соосно и последовательно расположенных газогенератора, снабженного смесительной головкой и узлами подачи горючего и окислителя, структуроформирующего переходника, рабочей части, содержащей исследуемый образец и снабженной соплом, а также измерителя светимости продуктов сгорания конструкционных материалов. При этом в первом варианте конструкции структуроформирующий переходник снабжен одним или более рядами тангенциальных отверстий, а газогенератор кроме основного узла подачи окислителя снабжен узлом подачи дополнительного расхода окислителя, на котором установлено трехпозиционное приспособление для порционной подачи частиц различных материалов. Во втором варианте конструкции приспособление для порционной подачи частиц расположено перед структуроформирующим переходником, имеющим осевое отверстие. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к устройствам и способам исследования образцов конструкционных материалов в потоке газообразного окислителя при различных давлениях и температурах с моделированием натурных условий эксплуатации, например, в ЖРД.

Вопросы надежности агрегатов ТНА ЖРД в значительной степени связаны с решением проблемы стойкости к возгоранию конструкционных материалов (КМ) в потоке газообразного окислителя в широком диапазоне температур и давлений. Рассматриваемая проблема решается детальным изучением закономерностей развития процессов зажигания и горения КМ в потоке окислителя при высоких давлениях и температурах, существенно более низких, чем температура самовоспламенения КМ, что достаточно сложно и требует больших материальных затрат.

Особое внимание исследователей и специалистов отрасли ЖРД-строения уделяется изучению механизмов инициирования зажигания, связанных с локальным разогревом КМ до температур, близких к температурам самовоспламенения, составляющих 1200-1700°C. В связи с этим важное значение приобретают установки, позволяющие целенаправленно изучать воздействие конкретного инициатора. Изучение воздействия известных инициаторов зажигания: металлические частицы, накопление органических веществ, трение перемещающихся относительно друг друга элементов конструкции недопустимо при доводочных испытаниях ЖРД. В настоящее время известно, что инициирование зажигания КМ в окислительном газовом тракте ЖРД может происходить от воздействия металлических частиц при температуре газа (КМ) свыше 400°C.

В известных устройствах [1, 2] использованы модельные способы инициирования зажигания, имитирующие воздействие известных инициаторов зажигания КМ.

Так, например, для определения энергии зажигания материалов в [1] используется воздействие механического удара в жидком кислороде. Зажигание образца в этом устройстве определяется теплотой, пропорциональной кинетической энергии падающего груза.

В устройстве, защищенном патентом [2], горение материалов в среде жидкого или газообразного окислителя при различных давлениях (до 10-12 МПа) инициируется теплотой, выделяющейся при протекании электрического тока по стальной проволоке (образцу) диаметром 3-6 мм и диной до 130 мм.

Известна установка для испытаний образцов материалов и элементов конструкций в среде жидкого или газообразного кислорода с моделированием натурных условий эксплуатации, защищенная патентом [3]. В данной установке моделируются натурные условия взаимодействия элементов реальных конструкций, в которых инициирование зажигания происходит из-за разогрева КМ трением.

Устройств, моделирующих инициирование зажигания металлическими частицами, переносимыми окислительным газом, а также эрозионное воздействие при разогреве КМ, авторами не обнаружено.

С учетом вышесказанного очевидно, что устройства из работ [1, 2, 3] не могут рассматриваться как прототипы для предлагаемого изобретения.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка устройства, которое позволит проводить испытания моделей элементов реальных конструкций с инициаторами зажигания (частицами), переносимыми потоком окислительного газа.

Конечная цель изобретения состоит в следующем:

- получение экспериментальных данных по допустимым параметрам инициаторов зажигания, при которых не происходит зажигание КМ, находящегося в потоке окислительного газа при постоянных температуре, скорости и давлении;

- определение критических воздействий частиц различных материалов, при которых происходит зажигание КМ, путем последовательного (ступенчатого) изменения параметров, например, температуры, скорости и давления потока окислительного газа в ходе одного или серии экспериментов.

Совокупность таких данных позволяет определить область параметров частиц, воздействие которых допустимо (безопасно), и область критических параметров, в которой воздействие инициатора (частиц) приводит к зажиганию и горению КМ. Массивы таких данных позволяют разрабатывать рекомендации по защите КМ от воздействия частиц, переносимых потоком газа.

Для исследования образцов конструкционных материалов (КМ) на возгорание в потоке газообразного окислителя, содержащего частицы различных материалов, предлагается два варианта устройств. Оба варианта устройств состоят из соосно и последовательно расположенных газогенератора, снабженного смесительной головкой и узлами подачи горючего и окислителя, структуроформирующего переходника, рабочей части, содержащей исследуемый образец и снабженной соплом, а так же измерителя светимости продуктов сгорания конструкционных материалов. При этом в первом варианте конструкции структуроформирующий переходник снабжен одним или более рядами тангенциальных отверстий, а газогенератор кроме основного узла подачи окислителя снабжен узлом подачи дополнительного расхода окислителя, на котором установлено трехпозиционное приспособление для порционной подачи частиц различных материалов. В этом случае моделируется генерация частиц в баке и в турбонасосном агрегате (ТНА). Во втором варианте конструкции приспособление для порционной подачи частиц расположено перед структуроформирующим переходником, имеющим осевое отверстие. В этом случае моделируется генерация частиц в объеме магистрали окислителя и газогенератора.

В предлагаемых устройствах поток газообразного окислителя различной температуры при давлении свыше 100 атм переносит к исследуемому образцу порцию частиц различных материалов. Перед рабочей частью с исследуемым образцом с помощью специального структуроформирующего переходника газовый поток с частицами переформируется таким образом, чтобы частицы попадали непосредственно на поверхность образца. Конфигурация переходника и самих образцов и их положение в рабочей части установки выбраны таким образом, чтобы обеспечить по возможности наибольшую плотность потока частиц на поверхности образцов. Реализуемые в устройствах способы исследования условий зажигания КМ частицами различных материалов основаны на использовании порционного и, следовательно, контролируемого ввода определенного количества частиц, характеризуемых их суммарной массой, называемой навеской частиц - m_Σч, заданного размера - d_ч, который определяется размером ячейки сетчатого фильтра, через который просеяны эти частицы. Масса навески частиц определяет предельное количество теплоты, которое может воздействовать локально на поверхность КМ при их полном сгорании:

Q= m_Σч·ΔH,

где ΔH - энтальпия образования окислов материала частиц.

Размер d_ч определяет минимальное локальное тепловое воздействие частиц в предположении об их полном сгорании на поверхности КМ.

В устройстве, выполненном по первому варианту, реализуется механизм инициирования зажигания конструкционного материала перемещаемым потоком окислительного газа инициаторами зажигания (частицами) из различных материалов при температуре КМ и газа от 300 до 900°C, имеющий место в окислительных трактах ЖРД, при этом конструктивно (с помощью структуроформирующего переходника и конфигурации образца) создаются такие условия взаимодействия частиц с поверхностью КМ образца, при которых частицы разогреваются до температуры самовоспламенения и самовоспламеняются непосредственно на этой поверхности. Теплота сгорающих частиц, движущихся по поверхности, локально разогревает КМ. Локальный разогрев при допустимом сочетании параметров инициатора, потока окислителя и теплофизических свойств КМ не приводит к зажиганию, а при критичном сочетании параметров инициатора, потока окислителя и теплофизических свойств КМ приводит к самовоспламенению и горению частиц, а затем к зажиганию и возможному последующему горению КМ.

В устройстве по варианту 2 реализуется другой механизм воздействия частиц на поверхность образца - эрозия при разогреве КМ, также рассматриваемый в ЖРД-строении. Здесь конфигурация структуроформирующего переходника служит для увеличения скорости газа и частиц. Положение исследуемого образца в рабочей части устройства (под углом 20-60° к оси устройства) обеспечивает различную плотность потока частиц на поверхности образца и, следовательно, различную интенсивность эрозионного воздействия частиц.

Зажигание образцов фиксируется с помощью измерителя светимости продуктов сгорания, регистрирующего время свечения при зажигании и горении образцов и (или) частиц. В отдельных случаях факт зажигания образцов может фиксироваться визуально.

Получаемые таким образом данные позволяют экспериментально определять допустимые и критичные сочетания параметров инициаторов зажигания (частиц различных материалов), потока окислителя и теплофизических свойств КМ.

Суть изобретения поясняется следующими фигурами.

Фиг.1 - схема устройства по варианту 1.

Фиг.2 - схема установки по варианту 2.

Фиг.3 - фотография образца после испытаний на установке, выполненной по варианту 1 (вид на образец со стороны выхода потока генераторного газа с частицами).

Фиг.4 - пример экспериментального определения допустимых и критичных параметров инициаторов зажигания при изменении температуры генераторного газа (КМ) и массы навески частиц (m_Σч).

Устройство (по варианту 1) для исследования образцов КМ на возгорание в потоке газообразного окислителя, содержащего частицы различных материалов, включает газогенератор 1 со смесительной головкой 2 (фиг.1). Смесительная головка имеет узлы подвода: горючего 3, основного расхода окислителя 4 и дополнительного расхода окислителя 5. В центре рабочего канала 6 газогенератора располагается сбросное кольцо 7. К узлу подвода дополнительного расхода окислителя 5 присоединено трехпозиционное приспособление для порционной подачи частиц 8. К выходной части рабочего канала 6 газогенератора пристыковывается структуроформирующий переходник 9, который снабжен одним или более рядами тангенциальных отверстий 10. Переходник соединен с рабочей частью 11, в которой расположен исследуемый образец 12. Рабочая часть снабжена соплом 13.

В устройстве по варианту 1 механизм инициирования зажигания конструкционного материала перемещаемыми потоком окислительного газа инициаторами зажигания (частицами) из различных материалов реализуется следующим образом.

Для получения газообразного окислителя заданной температуры Т_гг в диапазоне значений 300-900°C в смесительную головку газогенератора через узлы подвода 4, 5 и 3 подаются последовательно окислитель, а затем горючее. В рабочем канале 6 газогенератора происходит воспламенение и горение компонентов с избытком окислителя. Температура окислительного газа Т_гг определяется заданным соотношением компонентов топлива. В ходе испытания ступенчато изменяется температура окислительного газа. По достижению заданной температуры окислительного газа, которая выдерживается постоянной в течение заданного времени, с помощью приспособления 8 подается одна из 3-х навесок частиц. Поток окислительного газа с частицами проходит через структуроформирующий переходник 9. Размер и количество тангенциальных отверстий 10 определяется расходом окислительного газа. Конфигурация переходника и образца определяет плотность потока частиц и структуру потока газа (соотношение между осевой и тангенциальной составляющими скорости). Благодаря тангенциальной составляющей скорости частицы сепарируются на поверхность исследуемого образца 12. Взаимодействие частиц с поверхностью исследуемого образца конструкционного материала может приводить, при определенных условиях, к зажиганию и горению образца. Воспламенение и горение частиц или частиц и образца фиксируется измерителем светимости 14 продуктов сгорания конструкционных материалов.

Устройство (вариант 2) конструктивно отличается местоположением приспособления для подачи частиц 8 на установке, а именно на газогенераторе 1 за сбросным кольцом 7, конфигурацией структуроформирующего переходника 9 и исследуемого образца 12 (фиг.2). Образец в рабочей части 11 может устанавливаться под различными углами к оси для обеспечения различного по интенсивности эрозионного воздействия частиц. Структуроформирующий переходник 9 по сути является устройством для увеличения скорости газа и частиц, что достигается увеличением длины цилиндрического участка переходника.

В устройстве (вариант 2) реализуется другой механизм воздействия частиц на поверхность образца, а именно - эрозия при разогреве КМ, роль которой также существенна. При этом последовательность действий при исследовании не отличается от описанного выше, за исключением того, что устройство для подачи частиц здесь - однопозиционное и, следовательно, в ходе одного испытания можно реализовать только один режим по температуре окислительного газа (Т_гг).

На фиг.3 представлен один из характерных примеров состояния исследуемого образца конструкционного материала после воздействия рассматриваемого инициатора - металлических частиц, которое является, как было сказано выше, обоснованием исследования зажигания металлическими частицами, перемещаемыми потоком окислительного газа.

Для построения областей допустимых и критичных параметров частиц необходимо проведение достаточного количества испытаний. Например, на фиг.4 показаны результаты по определению допустимых и критичных параметров металлических частиц при воздействии на образец из никелевого сплава, широко используемого в двигателестроении. На фиг.1 в области А воздействие (допустимое) навески частиц массой m_Σч не приводит к зажиганию и горению KM, a в области Б воздействие (критичное) навески частиц массой m_Σч приводит к зажиганию КМ. Граница зажигания: Т_ГГ=ƒ(m_Σч) отделяет область допустимых и критичных значений температур генераторного газа и устанавливает соответствие максимальных допустимых значений температуры генераторного газа (КМ) и массы навески частиц.

Данные получены с помощью экспериментальной установки, созданной в соответствии со схемой устройства по варианту 1 в ФГУП «Центр Келдыша». В качестве определяющих параметров выбраны температура окислительного газа и масса навески частиц. При этом давление и скорость потока газа в эксперименте практически не изменялись. Размер частиц также не изменялся. На фиг.4 представлены результаты ряда испытаний. Треугольниками обозначены параметры (значения температуры потока Т_гг и массы поданной навески - m_Σч), при которых не произошло зажигание, а квадратами со значком молнии, при которых произошло зажигание и горение образца. Для получения достоверных данных необходимо провести не менее 5 серий испытаний с 1-3 подачами частиц. Для методической корректности используются результаты испытаний, так называемого, эталонного образца, воспроизводимость которых подтверждает достоверность получаемых на установке данных.

1. Иванов Б.А., Розовский А.С. «Безопасность работы с жидким кислородом», 1989.

2. Иванов Б.А., Мелихов А.С., Розовский А.С. «Физика горения и взрыва», 1972, N 4, с.253-257.

3. Патент RU 2166187 «Установка для испытаний образцов материалов и элементов конструкций в среде жидкого или газообразного кислорода с моделированием натурных условий эксплуатации».

1. Устройство для исследования образцов конструкционных материалов на возгорание в потоке газообразного окислителя, содержащего частицы различных материалов, состоящее из соосно и последовательно расположенных газогенератора, структуроформирующего переходника с одним или более рядами тангенциальных отверстий, рабочей части, а также измерителя светимости продуктов сгорания конструкционных материалов, при этом газогенератор снабжен смесительной головкой с узлом подачи горючего и узлами подачи основного и дополнительного расхода окислителя, на котором установлено трехпозиционное приспособление для порционной подачи частиц различных материалов, а рабочая часть, содержащая исследуемый образец конструкционного материала, снабжена соплом.

2. Устройство для исследования образцов конструкционных материалов на возгорание в потоке газообразного окислителя, содержащего частицы различных материалов, состоящее из соосно и последовательно расположенных газогенератора, структуроформирующего переходника с осевым отверстием, рабочей части, а также измерителя светимости продуктов сгорания конструкционных материалов, при этом газогенератор снабжен смесительной головкой с узлами подачи горючего и окислителя и приспособлением для порционной подачи частиц различных материалов, расположенным перед структуроформирующий переходником, а рабочая часть, содержащая исследуемый образец конструкционного материала, расположенного под углом к оси устройства, снабжена соплом.