Способ испытания образцов топлива

 

Применение: для баллистических испытаний твердых топлив в условиях напряженно-деформированного состояния. Сущность изобретения: способ испытания образцов топлива заключается в том, что образцы твердого топлива в виде симметричных относительно продольной оси стержней постоянного сечения деформируют вдоль оси стержня при разных уровнях деформации, воспламеняют стержни на участке боковой поверхности в средней по длине части, измеряют в процессе горения нагрузку на образец, общую по длине стержня деформацию и деформацию на участке вне участка выгорания образца топлива и поддерживают постоянной осевую деформацию или постоянным осевое напряжение, определяют скорость горения от изменяющегося параметра напряженно-деформированного состояния. Способ позволяет определять характеристики топлива, реализуемые при горении в камере сгорания двигателя, поскольку при горении заряда на поверхности изменяется и напряженное, и деформированное состояние материала. Использование полученных характеристик позволит существенно сократить и удешевить процесс экспериментальной обработки двигателя. 3 ил., 2 табл.

Изобретение относится к способам баллистических испытаний твердых топлив (ТТ) в условиях напряженно-деформированного состояния (НДС).

Известен способ испытания образцов топлива в виде цилиндров, в процессе которых определяется скорость горения топлива (1) Недостатком такого способа является трудность в определении с его помощью зависимости скорости горения от параметров НДС.

Наиболее близким к данному является способ испытания образцов в условиях сложного НДС, согласно которому после непродолжительного горения образцы гасят и по глубине выгоревшего слоя топлива судят о зависимости скорости горения от деформации (2).

Недостатком этого способа является его низкая точность, поскольку в процессе горения все параметры НДС меняются одновременно и могут быть учтены лишь усредненно за время горения.

Целью предлагаемого способа является повышение достоверности получаемой зависимости скорости горения от одного из параметров НДС (напряжения или деформации) за счет обеспечения постоянства других параметров НДС. При этом устраняются погрешности, связанные со взаимным влиянием на скорость горения одновременно всех параметров НДС. Технический результат достигается за счет того, что в образце реализуют статически определимое НДС и путем управления параметрами нагрузки обеспечивают в зоне горения постоянство одного из параметров НДС.

На фиг. 1 показана схема устройства для реализации способа; на фиг. 2 и 3 - типичные зависимости от времени изменяющегося параметра НДС и скорости горения, соответственно в "жестком" и "мягком" режимах.

Рабочая часть образца для реализации способа имеет постоянное поперечное сечение до начала испытания и содержит участки 1 вне зоны горения и расположенный между ними участок 2, на котором топливо в процессе испытания выгорает.

Устройство для реализации способа содержит нагружатель 3 с захватами 4 для образца, программно-управляющий орган 5 (например, управляющая ЭВМ), связанный через привод 6 с нагружателем 3, пускатель 7, связанное с ним средство 8 воспламенения образца, деформометры 9, динамометр 10 и средство 11 регистрации информации (например, принтер ЭВМ), связанное с программно-управляющим органом 5. С органом 5 связаны также пускатель 7, деформометры 9, и динамометр 10. Захваты 4 размещены в камере постоянного давления. В качестве средства 8 воспламенения может быть использован лазерный излучатель с оптической системой, содержащей средство фокусировки и средство разделения луча (например, полупрозрачное зеркало) для осесимметричного воспламенения топлива на участке 2.

Способ реализуется следующим образом.

Предварительно в управляющую ЭВМ (орган 5) закладывают программу испытания, согласно которой на участке 2 поддерживают постоянным один из параметров НДС - либо деформацию (жесткий режим), либо напряжение (мягкий режим). Камеру заполняют инертным газом при заданном давлении. По команде с пускателя 7 включают через ЭВМ (орган 5) средство 8 воспламенения и нагружатель 3. Измеряется общая деформация ε(t), деформация э(t) на участках 1 и нагрузка N(t) на образец. Отнесенная к площади F(t) на участке 2 или к F_o на участке 1 нагрузка представляет собой соответствующее условное напряжение. Управляя нагрузкой, поддерживают постоянной либо деформацию e(t)=Qo, либо напряжение на участке 1.

Сущность данного способа состоит в следующем.

Пусть ε- деформация, усредненная по всей длине L рабочей части образца, e - деформация на участке 2, протяженностью P э - деформация на участке 1 протяженностью L-l. Указанные деформации связаны соотношением: e + (y-1)a=yε , (1) где y=L/l Введем безразмерную характеристику выгорания топлива: x(t)=1-F(t)/F_o.

Зная геометрические характеристики сечения, можно по зависимости x(t) построить зависимость скорости горения u(t).

Пусть S₁ - отнесенное к модулю Юнга топлива безразмерное осевое напряжение на участке 1, а S₂ - безразмерное осевое напряжение на участке 2. Из условия равновесия: S₁=S₂(1-x(t)). (2) 1. Жесткий режим: e(t)=e_o Используя соотношения (1-2), получим: ε(t)=e/y+ (1-1/y)э(t) . (3) Пусть δ(t) - ошибка управления в момент времени t:
δ(t)= ε(t)-e/y-(1-1/y)э(t), тогда изменим в момент времени t+T общую деформацию в соответствии с соотношением: ε(t+T)=ε(t)-δ(t) - T, (4) где T - время запаздывания (оно может устанавливаться специально при задании программы или может являться следствием естественного запаздывания используемых приборных средств).

2. Мягкий режим: S₂(t)=S_o.

В этом случае:
S₂=S₁+y (S_ср-S₁), (5) где
(6) R(t) - отнесенное к модулю Юнга ядро релаксации.

В этом случае ошибка в управлении
δ_s(t)= y ΔS_ср-(y-1) ΔS₁ (7) где Δ= S₂-S_o; ΔS_ср=S_ср-S_o; ΔS₁=S₁-S_o. Управление нагрузкой осуществляют в соответствии с соотношением:
N(t+T)/N_o=N(t)/N_o-(δ_s(t) + T)/S_o.

(8)
В обоих случаях x(t) определяется из соотношения:
x(t)=1-1/1-y+yS_ср(t)/S₁(t). (9)
П р и м е р. Пусть испытанию подвергают образцы смесевого топлива на основе полибутадиена и перхлората аммония с включением порошка алюминия. Ядро релаксацию R(t)=0,7/t_p exp(t/t_p), где t_p=1, 2 c, время t[c]. Рабочая часть образца имеет начальную форму прямоугольника со сторонами 30 мм х 10 мм, бронировкой на участке 2 покрыты грани, соответствующие стороне сечения 30 мм, y= 10. Начальная деформация e=0,2. Результаты управления в соответствии с соотношениями (4) и (8) представлены в таблицах. При реализации жесткого режима нагружения для топлива с модулем Юнга E=60 кг/см² удается построить зависимость скорости горения от напряжения, изменяющегося от 12 до 7,2 кг/см², а при мягком режиме - при напряжении 12 кг/см² - зависимость скорости горения от деформации, изменяющейся в пределах от 0,2 до 0,32 (см. последние столбцы соответствующей таблицы). Изменение начального уровня нагрузки позволяет изменять границы указанных интервалов.

Таким образом, данный способ испытания топлив позволяет построить зависимость скорости горения от двух величин: напряжения и деформации, что позволит уточнить режимы горения топлив в составе двигателя или газогенератора.

Формула изобретения

СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦОВ ТОПЛИВА, заключающийся в том, что образцы топлива деформируют при разных уровнях деформации, воспламеняют и определяют скорости горения при разных параметрах напряженно-деформированного состояния, отличающийся тем, что в качестве образцов используют симметричные относительно продольной оси стержни постоянного сечения, деформирование каждого образца - стержня осуществляют вдоль оси стержня, воспламенение стержня осуществляют на участке боковой поверхности в средней по длине части, измеряют в процессе горения нагрузку на образец, общую по длине стержня деформацию и деформацию на участке вне участка выгорания образца топлива и поддерживают постоянной осевую деформацию или постоянным осевое напряжение, скорость горения определяют от изменяющегося параметра напряженно-деформированного состояния.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5