RU2211353C1

RU2211353C1 - Solid-propellant charge for gas generators

Info

Publication number: RU2211353C1
Application number: RU2002113184A
Authority: RU
Inventors: В.Т. Никитин; Е.А. Медведев; А.И. Жирков; Н.А. Шаповалова; В.И. Колесников; Н.Н. Федченко
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Пермский завод им. С.М. Кирова"
Priority date: 2002-05-20
Filing date: 2002-05-20
Publication date: 2003-08-27

Abstract

FIELD: rocketry. SUBSTANCE: solid-propellant charge for gas generators, turbogenerator supply sources, cartridge pressure accumulators and other mechanisms of rocket and other machinery is made in form of cylindrical channelless grain restricted over outer surface and over one end face. Ring projection is made on surface of bushing end face being made in form of equilateral trapezium with base angle of 45^o and ratio of larger and smaller diameters of base and height of trapezium to diameter of charge equal to 0.80- 0.95; 0.30-0.40; 0.08-0.10, respectively. EFFECT: provision of heated layer of charge of thickness required for reliable burning at increased pressure level in combustion chamber. 6 dwg

Description

Патентуемое изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при проектировании, отработке и изготовлении твердотопливных зарядов для газогенераторов (ТТГГ), турбогенераторных источников питания (ТГИП), пороховых аккумуляторов давления (ПАД) и других механизмов жизнеобеспечения ракетной и другой техники, используемой в широком диапазоне температур от + 80 до -80^oC.The patented invention relates to the field of rocket technology and can be used in the design, development and manufacture of solid fuel charges for gas generators (TTGG), turbine generator power supplies (TGIP), powder pressure accumulators (PAD) and other life support mechanisms for rocket and other equipment used in a wide range of temperature range from + 80 to -80 ^o C.

Особенностью ТТГГ, ТГИП и ПАД, длительно работающих в широком диапазоне температур, являются большие начальные теплопотери при низкой температуре окружающей среды. И в то же время в этот самый начальный момент работы требуется повышенный газоприход для преодоления начальных сопротивлений при запуске газовых турбин. К тому же обычно для проектирования твердотопливных зарядов выставляется требование по обеспечению надежной его работы при относительно низком уровне рабочего давления в камере сгорания ТТГГ, ТГИП и ПАД - 18...40 кгс/см².A feature of TTGG, TGIP and PAD, which have been working for a long time in a wide temperature range, are large initial heat losses at low ambient temperatures. And at the same time, at this very initial moment of operation, an increased gas intake is required to overcome the initial resistance when starting gas turbines. In addition, usually for the design of solid propellant charges, a requirement is set to ensure its reliable operation at a relatively low level of working pressure in the combustion chamber of TTGG, TGIP and PAD - 18 ... 40 kgf / cm ² .

Таким образом, с одной стороны создаются условия, затрудняющие воспламенение и выход на рабочий режим твердотопливных зарядов указанной номенклатуры. С другой стороны, для обеспечения длительного функционирования ТТГГ, ТГИП и ПАД требуется использовать медленногорящее твердое топливо, само по себе трудно поддающееся воспламенению. Thus, on the one hand, conditions are created that make it difficult to ignite and reach the operating mode of solid fuel charges of the specified nomenclature. On the other hand, to ensure the long-term functioning of TTGG, TGIP and PAD, it is required to use slow burning solid fuel, which in itself is difficult to ignite.

Ко всему сказанному, выставляются высокие требования к чистоте продуктов сгорания, что диктуется обеспечением высокой надежности работы турбины. To all of the above, high demands are placed on the purity of the combustion products, which is dictated by the high reliability of the turbine.

Практика разработки зарядов к ТТГГ, ТГИП и ПАД показала, что задача обеспечения воспламенения и надежного выхода на рабочий режим зарядов является наиболее трудной при создании узлов жизнеобеспечения ракетной техники. The practice of developing charges for TTGG, TGIP and PAD showed that the task of ensuring ignition and reliable exit to the operating mode of charges is the most difficult when creating life support units for rocket technology.

Разработка твердотопливных зарядов для ТТГГ, ТГИП и ПАД показывает, что даже после воспламенения, при выходе на рабочий режим имеют место немало случаев загасания зарядов. В результате исследований установлено (Саммерфилд М. Исследование ракетных двигателей на твердом топливе. М.: Издательство иностранной литературы, 1963), что гашение является следствием резкого, за 0,01. . . 0,20 с, падения давления в камере сгорания в 2-3 раза после достижения начального пика от сгорания воспламенителя и торцевой разделки заряда из-за недостаточной толщины прогретого слоя заряда из медленногорящего топлива. Прогретый слой, необходимый для стабильного горения заряда, обеспечивается после 2 секунд его горения. The development of solid propellant charges for TTGG, TGIP and PAD shows that even after ignition, upon reaching the operating mode, there are many cases of charge extinction. As a result of the studies, it was established (Summerfield M. Research of solid propellant rocket engines. M: Publishing house of foreign literature, 1963) that cancellation is a sharp consequence, for 0.01. . . 0.20 s, the pressure drop in the combustion chamber is 2-3 times after reaching the initial peak from the combustion of the igniter and the end cutting of the charge due to the insufficient thickness of the heated layer of the charge from slow-burning fuel. The heated layer necessary for stable combustion of the charge is provided after 2 seconds of burning.

Таким образом, для надежного выхода заряда на рабочий режим необходимо поддерживать достаточно высокий уровень начального давления в камере сгорания ТТГГ, ТГИП и ПАД (более 50 кгс/см²) и плавное, не менее чем за 2 секунды, снижение этого давления до рабочего уровня 18...40 кгс/см².Thus, for a reliable charge exit to the operating mode, it is necessary to maintain a sufficiently high level of the initial pressure in the combustion chamber of TTGG, TGIP and PAD (more than 50 kgf / cm ² ) and a smooth decrease of this pressure to the working level in at least 2 seconds 18 ... 40 kgf / cm ² .

К настоящему времени существуют различные решения задачи по обеспечению надежного выхода на рабочий режим твердотопливных зарядов ТТГГ, ТГИП и ПАД при низких температурах. To date, there are various solutions to the problem of ensuring reliable operation of solid propellant charges TTGG, TGIP and PAD at low temperatures.

Для решения указанной задачи по патенту США 3667396 используется воспламенитель с навеской пиротехнического состава. Однако вследствие высокой температуры его продуктов сгорания (на 1000 К выше таковых дымного пороха) и большого количества шлаков (60...90%) происходит либо зашлаковывание фильтров, либо их прогорание. Для исключения этого требуются специальные меры, в частности охладители или дорогостоящие очистные устройства, что неприемлемо во многих случаях. To solve this problem, US Pat. No. 3,667,396 uses an igniter with a weight of a pyrotechnic composition. However, due to the high temperature of its combustion products (1000 K higher than those of smoke powder) and a large amount of slag (60 ... 90%), either slagging of the filters or their burning occurs. To eliminate this, special measures are required, in particular coolers or expensive treatment devices, which is unacceptable in many cases.

Конструкция заряда по патенту США 3069844, включающая пороховые элементы быстрогорящего топлива, закрепленные в углублениях заряда с помощью нитей накаливания электроцепи, сложна в производстве и ненадежна в эксплуатации по причине возможного повреждения электроцепи. The charge design of US Pat. No. 3,069,844, comprising powder fast-burning fuel elements fixed in recesses of the charge by means of electric chain filaments, is difficult to manufacture and unreliable in operation due to possible damage to the electric circuit.

В качестве прототипа патентуемого заряда выбран заряд, который представляет собой цилиндрическую бесканальную бронированную по наружной поверхности и одному торцу шашку твердого топлива (Шишков А.А.. Румянцев Б.В. Газогенераторы ракетных систем. М. : Машиностроение, 1981, с. 78-79, рис. 4.2.). As a prototype of the patented charge, a charge was selected, which is a cylindrical channelless armored solid fuel checker on the outer surface and one end (Shishkov A.A. Rumyantsev B.V. Gas generators of rocket systems. M.: Mashinostroyenie, 1981, p. 78- 79, Fig. 4.2.).

На фиг.1 изображен фрагмент прототипа со стороны небронированного торца:
1 - топливо;
2 - бронепокрытие;
3 - кольцевой выступ горящего торца.Figure 1 shows a fragment of the prototype from the side of the unarmored end:
1 - fuel;
2 - armor plating;
3 - annular protrusion of the burning end.

На фиг.2 показана кривая изменения горящей поверхности (S) такого заряда в зависимости от горящего свода (е):
4 - начальная поверхность заряда;
5 - поверхность горения, обеспечивающая рабочий режим.Figure 2 shows the change curve of the burning surface (S) of such a charge depending on the burning arch (e):
4 - the initial surface of the charge;
5 - combustion surface, providing an operating mode.

Повышенная начальная поверхность горения (4) резко снижается до рабочего уровня (5). The increased initial combustion surface (4) sharply decreases to the working level (5).

На фиг. 3 изображена обеспечиваемая таким зарядом кривая изменения давления (Р) пороховых газов в камере сгорания прототипа в зависимости от времени (t) работы:
6 - начальный пик давления;
7 - давление при рабочем режиме.In FIG. 3 shows the curve of the pressure change (P) of the powder gases provided in such a charge in the combustion chamber of the prototype depending on the time (t) of operation:
6 - initial pressure peak;
7 - pressure during operation.

Ясно, что при использовании медленногорящего топлива при таком перепаде давления не будет обеспечиваться надежный выход заряда на рабочий режим. It is clear that when using slow-burning fuel at such a pressure drop, a reliable charge exit to the operating mode will not be ensured.

Технической задачей предлагаемого изобретения является обеспечение плавного перехода от повышенного начального уровня поверхности горения к рабочему за время не менее 2 секунд с тем, чтобы при повышенном уровне давления в камере сгорания образовался прогретый слой заряда необходимой для надежного горения толщины. The technical task of the invention is to ensure a smooth transition from an increased initial level of the combustion surface to the working one for at least 2 seconds, so that at an increased level of pressure in the combustion chamber a warmed charge layer necessary for reliable burning of the thickness is formed.

Технический результат достигается за счет профилирования горящего торца заряда твердого топлива для газогенераторов, выполненного в виде цилиндрической бесканальной шашки, бронированного по наружной поверхности и одному торцу, таким образом, чтобы увеличенный в начальный период работы ТТГГ, ТГИП и ПАД газоприход за счет поверхности горения плавно, в течение не менее 2 секунд, уменьшился до рабочего уровня. Для этого кольцевой выступ на поверхности горящего торца заряда выполнен в продольном сечении заряда в виде равнобочной трапеции с углом у основания 45^o и отношением большего и меньшего диаметров основания и высоты трапеции к диаметру заряда по топливу, равным 0,80...0,95; 0,30...0,40; 0,08...0,10 соответственно.The technical result is achieved by profiling the burning end of the solid fuel charge for gas generators, made in the form of a cylindrical channelless checker, armored on the outer surface and one end, so that the gas intake increased in the initial period of operation of the TSHG, TGIP and PAD smoothly, for at least 2 seconds, decreased to the working level. For this, the annular protrusion on the surface of the burning end of the charge is made in the longitudinal section of the charge in the form of an isosceles trapezoid with an angle at the base of 45 ^o and the ratio of the larger and smaller diameters of the base and the height of the trapezoid to the fuel charge diameter of 0.80 ... 0.95 ; 0.30 ... 0.40; 0.08 ... 0.10, respectively.

Сущность изобретения поясняется следующими графическими материалами. The invention is illustrated by the following graphic materials.

На фиг.4 показан патентуемый заряд в разрезе
1 - топливо;
2 - бронепокрытие;
3 - кольцевой выступ.Figure 4 shows a patented charge in the context
1 - fuel;
2 - armor plating;
3 - annular protrusion.

На фиг. 5 показан фрагмент предлагаемого заряда со стороны горящего торца:
1 - топливо;
2 - бронепокрытие;
8 - поверхность кольцевого выступа;
9 - фронт горения заряда после сгорания 5 мм;
10 - фронт горения заряда после сгорания 15 мм;
11 - фронт горения заряда после сгорания 30 мм.In FIG. 5 shows a fragment of the proposed charge from the side of the burning end:
1 - fuel;
2 - armor plating;
8 - surface of the annular protrusion;
9 - front of charge burning after combustion of 5 mm;
10 - front of charge burning after combustion of 15 mm;
11 - front of charge burning after combustion of 30 mm.

Пунктиром изображено изменение положения и профиля фронта горения заряда при сгорании 5 мм (9), 15 мм (10), 30 мм (11). The dashed line shows the change in the position and profile of the front of charge burning during combustion of 5 mm (9), 15 mm (10), 30 mm (11).

На фиг.6 представлена поверхность горения (S) заряда в функции горящего свода (е). Figure 6 shows the surface of combustion (S) of the charge as a function of the burning vault (e).

Как следует из приведенной кривой, начальная повышенная поверхность горения, обеспечивающая увеличенный газоприход для преодоления начальных сопротивлений газотурбины и тепловых потерь, плавно переходит к рабочему уровню характеристик, исключая резкий перепад давления. As follows from the above curve, the initial increased combustion surface, providing an increased gas intake to overcome the initial resistance of the gas turbine and heat loss, smoothly switches to the operating level of the characteristics, eliminating a sharp pressure drop.

В патентуемом заряде к моменту сгорания 20% свода начальная поверхность уменьшается всего на 5%, а при сгорании свода наполовину - на 10%. То есть, патентуемый заряд исключает резкий перепад давления, а следовательно, и загасание заряда при его выходе на рабочий режим при использовании медленногорящего топлива, например НДП-5А, при температуре до минус 60^oC.In a patentable charge, by the time of combustion of 20% of the arch, the initial surface decreases by only 5%, and when the arch is half burned, by 10%. That is, the patented charge eliminates a sharp pressure drop, and therefore, the extinction of the charge when it enters the operating mode when using slow-burning fuel, for example NDP-5A, at temperatures up to minus 60 ^o C.

Предложенный заряд твердого топлива испытан и опробован в газогенераторе ГР-2РС на Пермском заводе им. С.М. Кирова. The proposed charge of solid fuel is tested and tested in a gas generator GR-2RS at Perm plant them. CM. Kirov.

Claims

The charge of solid fuel for gas generators, made in the form of a cylindrical channelless checker, armored on the outer surface and one end face, characterized in that it has an annular protrusion on the surface of the burning end face, having a sectional view of an isosceles trapezoid with an angle at the base of 45 ^o and a larger ratio and smaller base diameters and trapezoid heights to a fuel charge diameter of 0.80. . . 0.95, 0.30. . . 0.40, 0.08. . . 0.10 respectively.