ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Физические и математические модели функционирования аварийных систем из "Пороха, топлива, заряды Том 2" Рассмотренные выше конструкции аварийных систем на твёрдом топливе состоят из однотипных конструктивных элементов и узлов, поэтому при исследовании рабочих процессов целесообразно объединить близкие системы в группы и проанализировать физические модели только наиболее характерных устройств в каждой футше. Рассмотрим структурный состав наиболее сложной аварийной системы - системы прямого пуска дизельных двигателей (СПП). Она состоит из следующих основных элементов (см. рис. 5.4), гфедставленных на рис. 5.7. [c.114] СПП содержит наибольшее число разнотипных по функциональному назначению элементов конструкции, которые в том или ином виде присутствуют в других аварийных системах. Единственным элементом, не вошедшим в структуру СПП, является турбина, или роторный двигатель, то есть исполнительные органы некоторых аварийных систем, которые также преобразуют химическую энергию твёрдого топлива в механическую работу. [c.114] Следует отметил., наиболее простыми и не представляющими интереса для исследований являются АС, только генерирующие продукты сгорания для последующего многоцелевого использования, например, доя обогрева ДВС, наполнения гибких оболочек, получения сверхзвуковой газовой струи и тл Такие разработки по своей сути являются традиционными газогенераторами на твёрдом топливе /44,45/. Поэтому далее рассматриваем наиболее сложные по устройств и принципу действия АС. [c.114] На втором этапе (0,1...0,3 с) идёт заполнение магистралей СПП и первого цилиндра двигателя до момента страгивания вала. Третий этап (2...7 с) характеризуется раскруткой вала до пусковых оборотов за счёт циклической подачи газа во все цилиндры. [c.115] Параметры продуктов сгорания в период функционирования СПП нестационарны в газоводах и цилиндрах двигателя. Уровень давления на выходе из газогенератора зависот от суммарных тепловых и газодтами-ческих потерь в магистралях СПП и давления газа в цилиндрах, которое преодолевает момент сопротивления вала. Изменение характеристик газа обусловлено нестационарным теплообменом в длинных газоводах. Если до распределения эти изменения легко прослеживаются, то за ним физическая картина течения чрезвычайно затрудняется наложением на нестационарный теплообмен сложной газодинамической картины. Участки с резким расширением, поворотами в распределителе и за ним, а также переменные объёмы цилиндров существенно турбулизируют газ, увеличивая нестационарную теплоотдачу в стенки. Этому способствует также высокоскоростное циклическое переключение потока газа с одной магистрали на другую за распределителем. [c.115] Общая физическая картина усложняется, кроме того, тем, что продукты сгорания при движении по магистралям находятся в неравновесном состоянии, которое характеризуется постоянным изменением состава газовой фазы, конденсацией твёрдой, а при глубоком охлаждении - жидкой фазы. Всё это отражается на основных термодинамических характеристиках газа, которые сложным образом начинают изменяться вслед за температурой и уфовнем давления. [c.115] В результате снижается удельная работоспособность (параметр R T, кДж/кг) за счёт изменения состава газовой фазы при охлаждении. [c.115] При рассмотрении физической модели функционирования системы раскрутки турбины ГТД до пусковых оборотов при подаче сверхзвуковой струи продуктов сгорания газогенератора на лопатки газотурбинного двигателя отметим следующее. Если тепловая энергия не используется для зажигания основного топлива в камере сгорания, то физическая картина фунищонирования представляется достаточно простой. Работа газогенератора подобна использованной (см. выше) для системы прямого пуска, за исключением значительных нестационарных потерь в газоводе между камерой сгорания и соплом, установленным в корпусе ГТД. Однако эти затраты энергетики на начальном этапе, как показали эксперименты /18/, положительно сказываются на раскрутке турбины и обеспечивают надёжный запуск всего ГТД. Благодаря потерям смягчается тепловой и газодинамический удары по лопаткам неподвижной турбины, а также растягивается по времени начальный период штатного запуска (зажигание основного топлива в камере сгорания ГТД), что предотвращает заброс температуры в камере сгорания и на лопатках турбины при одновременном воздействии продуктов сгорания твёрдого и основного топлив газотурбинного двигателя. [c.116] Если горючее АС используется для зажигания основного топлива, то физическая картина усложняется взаимосвязанными нестационарными процессами теплопотерь продуктов сгорания генератора в газоводе, разогрева во времени стенок газовода до температуры воспламенения основного топлива ГТД и непосредственно его поджигания. [c.116] Схема пневмопррюода шарового крана магистрального газопровода также во многом напоминает схему работы СПП дизеля. Те же основные элементы газогенератор, газовод, силовой цилиндр, кри-вошипно-шатунный или кулисный механизм. Преобразование химической энергии топлива в механическую работу вращения шара-пробки происходит аналогично СПП расширение продуктов сгорания твёрдого топлива в цилиндре с поршнем и преобразование поступательного движения штока поршня во вращательное движение пробки через кривошипно-шатунный или кулисный механизм. Отличием является присутствие специального фильтра-охладителя, который предназначен для глубокого охлаждения и полной очистки продуктов сгорания перед подачей их в цилиндр привода. Физическая картина процессов в такой аварийной системе описывается аналогично СПП дизеля, но только до фильтра-охладителя. [c.116] Далее процессы в фильтре-охладителе происходят с постепенным продвижением, так называемой, тепловой волны к выходу. Но пока горячий фронт этой волны не дойдёт до конца фильтрующего элемента, в цилиндр привода будут поступать холодные, очищенные продукты сгорания твёрдого топлива /44/. [c.117] Газодинамические приводы сегнерово колесо и привод с активной турбиной применяются, в основном, для перекрытия нефтепроводов. Они имеют существенный недостаток - плохие динамические показатели при смене скоростей движения задвижек заедание, торможение. Рабочие процессы в обоих приводах практически одни и те же. После срабатывания генератора продукты двигаются в условиях нестационарного теплообмена по длинному газоводу до сопел вращающегося газодинамического насадка или соплового аппарата активной турбины. Срабатывание рабочего газа в обоих приводах достигается за счёт реакции сверхзвуковой струи. Только в первом случае вращаются сами сопла, а во втором - диск активной турбины. [c.118] Тепловые и газодинамические потери выше в активной турбине, так как происходит трение и разворот сверхзвуковой струи на спинке лопатки, а также нагрев диска. Зато выхлоп с турбины имеет более низкую температуру, а при постановке вертикального выхлопного коллектора высотой 1,5...2 м продукты сгорания легко отводятся из зоны взрывоопасных паров перекачиваемой нефти или газового конденсата. В схеме привода сегнерово колесо отвод горячих отработанных газов из взрывоопасной зоны невозможен, поэтому на выходе газогенератора обязательна установка охладителя пассивного типа или химического, дающего при снижении температуры дополнительный газоприход. [c.118] Физические картины процессов в этих случаях существенно различаются, так как пассивный охладитель, как уже отмечалось, значительно увеличивает потери энергетики продуктов сгорания, а кроме того - делает все процессы движения и теплообмена в газовом тракте от генератора до сопла существенно нестационарными. Применение химического охладителя приводит также к необходимости учитывать особенности термохимических реакций продуктов сгорания генератора и возгоняющихся газов охладителя. [c.118] Последовательность процессов для аварийных систем торможения похожа на схему перекрытая шарового крана магистрального газопровода. Отличие в том, что подвижный поршень силового цилиндра имеет малый ход и предназначен, в основном, для создания усилия поджатия тормозной колодки к тормозному диску, то есть это схема замкнутого генератора на твёрдом топливе. [c.118] Особые требования к продуктам сгорания, поступающим в тормозной цилиндр, - низкая температура и отсутствие твёрдого конденсата. Поэтому аналогично пневмоприводу шарового крана на выходе газогенератора продукты сгорания полностью охлаждаются и фильтруются в охладителе с мелкодисперсным наполнителем. Динамика этого процесса уже подробно описана выше. Дальнейшее течение газа связано с заполнением тормозного цилиндра. В связи с тем, что объём газа меняется мало, а давление постоянно растёт, весь цикл можно характеризовать как работу сжатия продуктов сгорания с одинаковой начальной температурой стенок цилиндра и поступающего газа. Физическая картина процессов в аварийных системах пожаротушения рассмотрена в следующей главе. [c.119] Таким образом, становится понятным, что работа аварийных систем различного назначения, имеющих длинные газоводы и исполнительные устройства в виде пневмоцилиндров, турбин, роторных двигателей и т.п., отличается большой степенью иестационарности тепловых и газодинамических процессов. При значительном охлаждении продуктов сгорания в длинных газоводах, порошковых теплоаккуму-ляторах (охладителях) и исполнительных устройствах необходимо учитывать потери энергетики газа на конденсацию твёрдой и жидкой фазы. [c.119] Рассмотренные физические процессы характерных аварийных систем показывают, что наиболее рациональным при создании обобщённой математической модели является блочное (модульное) описание работы ее составляющих, наиболее сложных по устройству аварийных систем. Например, как и ранее, для систем прямого пуска (СПП) дизеля. В этом случае математическая формула любой системы может быть представлена как совокупность блоков уравнений, последовательно отражающих процессы в её звеньях. [c.119] Все процессы происходят в замкнутом объёме газогенератор -фильтр - теплообменник - газовод - распределитель - цилиндр и т.д. [c.119] Вернуться к основной статье