книги из ГПНТБ / Повышение эффективности термического и механического бурения

1. Высокое значение термо- и газодинамических параметров га­ зовой струи в зоне разрушения.

2.Большая неравномерность полей физических свойств газового потока поперек пограничного слоя.

3.Газовая струя — сложная, химически активная смесь продук­

тов сгорания топлива; обусловливает возможность протекания в зоне разрушения химических реакций со значительным тепловым эффектом.

4. Резко выраженная нестацнонарность процессов.

Все эти факторы не позволяют применить для определения теп­ ловых параметров газовой струи известный метод расчета [3, 16, 80].

Достаточно точные данные по тепловым параметрам газовых струй горелок термобуров могут быть получены только в резуль­ тате экспериментальных исследований в условиях, максимально отражающих специфику теплового воздействия газовой струи при термическом разрушении горных пород.

Выбор метода экспериментального определения тепловых пара­ метров газовых струй горелок термобуров. Несмотря на многооб­ разие экспериментальных методов, используемых при определении тепловых параметров газовых струй и базирующихся на методе нестационарного теплового режима, выбор метода для данной задачи связан со значительными трудностями. Использование даже известных методов, основанных на применении поверхност­ ных термометров сопротивления и датчиков в виде тонкого тела с учетом указанных специфических особенностей теплообмена при воздействии газовой струи на породу, оказывается невоз­ можным.

Наиболее распространенным методом экспериментального опре­ деления тепловых параметров газовых струй в настоящее время является метод, разработанный Харьковским авиационным инсти­ тутом. Этот метод базируется на общей теории нестационарной теплопроводности. Тепловые параметры измеряют с помощью дат­ чиков, кратковременно подвергаемых тепловому воздействию иссле­ дуемой газовой струи при строго постоянном режиме работы го­ релки в течение опыта. Преимуществом метода является то, что из одного опыта без прямых измерений в газовой струе можно определить весь комплекс ее тепловых параметров.

Тепловые параметры газовой струи измеряют с помощью теплоприемника (рис. 1). Чувствительный элемент теплоприемника — датчик /, выполненный из меди, монтируется в центре корпуса за­ подлицо с нагреваемой поверхностью А. Он имеет форму короткого цилиндра, посаженного с натягом с помощью втулки 2 в корпус теплоприемника 3. Тепловому воздействию подвергается поверх­ ность S — рабочий торец датчика. Остальные поверхности датчика теплоизолированы с помощью втулки 4, выполненной из меди вы­ сотой, равной высоте датчика. Для этого датчик монтируется в спе­ циальном теплоприемнике. При этом условии датчик высотой к

может рассматриваться как часть безграничной, симметрично нагреваемой пластины толщиной 2h.

Весь комплекс тепловых параметров определяется по измене­ нию во времени температуры внутри датчика, которая замеряется с помощью термопары 5, зачеканенной внутри датчика на расстоя­

нии — от нерабочего торца.

О

Теоретический анализ нагрева датчиков данной схемы, а также опытные исследования их работы показали, что нагрев датчиков

датчика получена решением уравнения теплопроводности Фурье

(16)

где а — температуропровод­ ность материала датчика; V — оператор Лапласа; -й — избыточная температура в данной точке датчика с тем­ пературой U;

ъ = т 0- и ,

зависимость имеет вид

(17)

где Я— коэффициент теплопроводности материала датчика; /?гп =

1дй

=—— тг---- темп нагрева датчика. Ф dt

При известных значениях теплофизических характеристик Я и а и высоты датчика /г определение коэффициента теплоотдачи сво­ дится к определению опытным путем темпа нагрева датчика тп. На основании того свойства, что нагрев датчика подчиняется за­ конам регулярного теплового режима, предложен целый ряд спо­ собов [73, 74] опытного определения темпа нагрева тп и эффектив­ ной температуры газа Тт без прямых измерений в газовой струе. Для определения параметров газовых струй горелок, когда воз­ можны отклонения от заданного режима работы горелки, наибо­ лее приемлемым является графоаналитический способ. В этом

способе используется большое число экспериментальных точек кривой нагрева датчика, что позволяет исключить случайные точки, вызванные нарушением в режиме работы горелки.

Э ф ф е к т и в н у ю т е м п е р а т у р у Тѵ определяют графичес­ кой предельной экстраполяцией кривой нагрева датчика во времени U = f[t), получаемой с помощью осциллографа следующим обра­ зом. На рассматриваемом участке кривой (рис. 2) через равные интервалы времени проводят прямые, параллельные оси U до пересечения их с кривой. Из точек пересечения проводят прямые,

параллельные оси t, и на них последовательно откладывают приращение температуры за предыдущий интервал време­ ни. Если кривая, полученная в эксперименте, является экспо­ нентой (свидетельство регу­ лярного теплового режима), то концы отрезков лежат на пря­ мой. Пересечение этой прямой с осью Û дает значение эффек­ тивной температуры в том же масштабе, что и U.

Графоаналитическое опре­ деление темпа нагрева датчика основывается на том свойстве регулярного теплового режима, что логарифм избыточной тем­ пературы é тела меняется во времени по линейному закону. В этой связи кривую U =f (t) , полученную в опыте, перест­ раивают в координатах lrrö — t,

а темп нагрева датчика пгп вычисляют как тангенс угла наклона этой прямой к оси t [73]:

In &i — In &2

(18)

З н а ч е н и е н а ч а л ь н о г о у д е л ь н о г о т е п л о в о г о п о ­

Таким образом, приведенная методика позволяет без прямых, измерений в газовой струе из одного опыта получить весь комп-

леке локальных значений тепловых параметров в любой момент

горелки, К; Тв„— температура воды, входящей в горелку, К.

Коэффициент потерь тепла на охлаждение &т определяют как отношение тепла, затраченного на охлаждение Q0, к энергии, вве­ денной в камеру сгорания с топливом Qт:

3. СТЕНД И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОВОЙ СТРУИ

Параметры газовой струи огнеструйной горелки и ее тепловую эффективность определяют на специальном стенде. К стенду предъ­ являются следующие требования.

1.Возможность изменения режима работы горелки- в широких пределах.

2.Возможность обеспечения стабильной работы горелки в про­ цессе одного замера.

3.Высокая точность производимых измерений.

4.Возможность работы на различных горючих.

5.Высокая надежность работы всех систем.

6.Безопасность проведения экспериментов.

На рис. 3 приведен испытательный стенд, созданный Харьков­ ским авиационным институтом. Надежность работы систем уст­ ройств стенда обеспечивается простотой автоматики и' конструк­ ции. В установке широко использованы отработанные эксплуата­ цией агрегаты авиационной автоматики. Управление горелкой и устройствами — дистанционное.

Испытательный стенд оборудован вытеснительной системой по­ дачи горючего в камеру сгорания горелки (баллон со сжатым воз­ духом J и бак с горючим 2). Наряду с простотой эта система 'обеспечивает довольно высокую стабильность давления подачи го­ рючего и позволяет изменять это давление в большом диапазоне. Питание горелки кислородом возможно осуществлять из любогоисточника (батарея баллонов 3). Для замера расхода компонентовтоплива предусмотрены трубки Вентури 4. Необходимый для опре­ деления расхода перепад давления замеряется дифманометрами 5.. Для остановки работы горелки, а также для аварийного прекра: щения работы ее предусмотрены отсечные электрогидро- и элек­

очень затруднителен. При исследовании многосопловый аппарат заменяют односопловым с соплом, расположенным по оси горелки, и площадью критического сечения, равной площади критического сечения многосоплового аппарата.

Для замера внутрикамерного давления через сопловой аппа­ рат 2 в камеру сгорания введена трубка 1 с припаянным с наруж­

ной стороны штуцером. Для охлаждения камеры сгорания в ко­ жухе камеры просверливают отверстия и приваривают штуцеры 3, через которые подается охлаждающая вода. При измерении теп­ ловых параметров газовой струи необходимо предотвращать попа­ дание охлаждающей воды, выходящей из башмака горелки, на теплопрнемник и в газовую струю; кроме того, необходимо изме­ рять температуру воды, выходящей из горелки. Для этих целей вместо башмака предусмотрен специальный приемный коллекторѣ, через который посредством трубок 5 вода поступает в кольцо 6 и даліее по трубке 7 отводится на слив. В трубке 7 для замера температуры выходящей из горелки воды вмонтирована хромелькопелевая термопара 8, которая помещена в тонкостенный чехол из стали ЭЯ1Т с малоинерционным медным наконечником.

Для обеспечения теплового контакта спая термопары с наконеч­ ником в чехол заливают стеарин. Запись э. д. с. термопары во время опытов производится с помощью потенциометра, а темпе­ ратура холодного спая термопары контролируется ртутным термо­ метром с ценой деления 0,1° С.

Запуск, управление работой и остановка горелки. Перед за­ пуском сначала проверяют все средства питания, автоматики и измерительные средства стенда. Затем на дифманометрах с по­ мощью визиров устанавливают заранее рассчитанные величины расходов горючего и окислителя и открывают дроссельные краны

в положение, соответствую­ щее пусковому режиму ра­ боты горелки. Затем запус­ кают насосы охлаждения го­ релки и подают электропи­ тание в электрическую схе­ му стенда (рис. 5). Если давление охлаждающей во­ ды ниже требуемого, то с по­ мощью реле давления РДтв включается сигнальная лам­ па Л и запуск горелки ста­ новится невозможным, так как электрическая цепь с помощью реле РДнрк размы­ кается.

При достаточном давлении воды включением тумблера В4 с по­ мощью электропневмоклапана ЭПКо-1 открывается кислородный пневмоклапан. Включением кнопки пуска КП питание подается на электропневмоклапан ЭПКо-2, электрогидроклапан ЭПКг и на реле времени PB при включенных тумблерах В2 и ВЗ, при этом горючее и окислитель поступают в горелку. Через определенное время посредством реле времени топливная смесь с помощью спи­ рали накаливания поджигается и устанавливается нужный режим работы горелки.

После запуска и установления стабильной работы горелки 12 на заданном режиме включением тумблера В1 подается команда на электропневмоклапан ЭПКз заслонки 13 (см. рис. 3), откры­ вается доступ сжатого воздуха из баллона 14 в переднюю полость пневмоцилиндра 15, с помощью которого заслонка 13 перемеща­ ется, открывая теплоприемник 16. Включением тумблера В1 вклю­ чается также осциллограф для записи темпа нагрева датчика теплоприемника.

При движении заслонки концевым выключателем ВК включа­ ется питание на соленоид замка горелки, замок открывается и горелка под собственным весом сбрасывается в нижнее положение, соответствующее заданному расстоянию от среза сопла до датчика. Работа горелки останавливается выключением тумблера «сеть».

При этом обесточиваются все электроклапаны и прекращается поступление топливных компонентов в камеру сгорания. Если в про­ цессе работы горелки по какой-либо причине давление охлаждаю­ щей воды упало ниже допустимого, то реле давления разомкнет электрическую цепь и произойдет остановка работы горелки.

Перед запуском и замером характеристик работы горелку уста­ навливают на стенде на заданное расстояние от теплоприемника таким образом, чтобы газовая струя действовала строго на центр датчика под прямым углом. Действие газовой струи на датчик длится 4—10 с в зависимости от режима работы горелки. Темпе­ ратуру в датчике измеряют с помощью осциллографа. По зеркалу визуального наблюдения в осциллографе определяют момент вы­ ключения горелки.

В процессе эксперимента замеряют следующие величины: баро­ метрическое давление и температуру окружающего воздуха; дав­ ление компонентов топлива в подводящих магистралях кислорода Р0 и горючего Рт; давление в камере сгорания Рк; давление охлаж­ дающей воды Рв; перепады давления на трубках Вентури для за­ мера расхода кислорода Ah0 и горючего А/гг; температуру охлаж­ дающей воды на входе и выходе из горелки; давление кислорода перед трубкой Вентури; температуру холодных спаев термопар и температуру кислорода перед трубкой Вентури.

5. РАСХОДНЫЕ, ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ ГОРЕЛОК СТАНКОВ СБО

Установлено, что улучшение термодинамических и расходных характеристик огнеструйных горелок может быть достигнуто за счет улучшения процесса смесеобразования, определения опти­ мального режима работы горелки по коэффициенту избытка окис­ лителя и внутрикамерному давлению, увеличения времени пребы­ вания топлива в камере сгорания и определения рационального режима охлаждения горелки.

В камере сгорания горелки термобура происходит сложный комплекс процессов, которые должны обеспечить максимальную полноту выделения тепла при сгорании топлива и быстрое выде­ ление тепла в камере сгорания сравнительно небольших размеров и веса.

Основная особенность работы камер сгорания термобуров зак­ лючается в необходимости приготовления топливной смеси из горю­ чего и окислителя. Оба компонента в заданном соотношении по­ даются через форсунки в камеру сгорания, где происходит реакция между горючими и окислителем, которая протекает в основном в газообразной фазе.

Эффективное и экономичное сжигание жидкого горючего в ка­ мере сгорания термобура достигается в результате тонкого и одно­ родного его распыления, хорошего смешения с окислителем, пра­ вильного подвода окислителя и правильного выбора объема и кон­ фигурации камеры сгорания.

' В комплексе устройств, работа которых направлена на рацио­ нальное сжигание жидкого горючего, существенную роль играют

лый объем камеры сгорания приводит к тому, что часть его дожигается в соплах горелки, а другая часть выбрасывается в скважину. При этом значительно снижаются термодинамические параметры газовой струи и образуется большое количество про­ дуктов неполного сгорания (СО, Нг и др.).

М е х а н и ч е с к и е ц е н т р о б е ж н ы е ф о р с у н к и в значи­ тельной степени свободны от этих недостатков. Они дают более тонкое и равномерное распыление горючего по всему объему ка­

меры сгорания.

Применение в исследуемых горелках центробежных форсунок

с углом распыла 60—100°, а также увеличение времени пребыва­ ния топлива в камере сгорания и данные расчета на основе фор­ мулы (4) без переделок остальных деталей горелки станков СБО определили конструкцию рекомендуемой камеры сгорания.

Расход горючего центробежными и струйными форсунками ре­ гулируется лишь изменением давления. Такой способ регулирова­ ния является несовершенным, так как для заметного снижения рас­ хода необходимо резко снизить давление подачи горючего на фор­ сунку, что значительно отражается на качестве распыления. В на­ шем случае это обстоятельство не имеет существенного значения,

го для конкретных горелок и ре­ жимов их работы. Рассчитанная для горелок станков СБО центро­

бежная форсунка показана на рис. 7. Авторами были исследованы горелки с двумя типами камер сгорания: объем камеры 1/к = 215X ХІО“6 м3 — промышленная камера сгорания и объем камеры Ѵк = = 345-ІО-6 м3 — рекомендуемая камера сгорания (рис. 8), рабо­ тающие на керосине и соляровом масле с применением струйного и центробежного распыливания горючего в попутном потоке окис­ лителя при следующих сочетаниях (табл. 1).

Использование двух типов горючего обусловлено тем, что в про­ изводственных условиях огневые станки работают как на керосине, так и на соляровом масле.

В результате исследований ряда авторов [19, 32, 74] определен

Влияние соплового аппарата на эффективность работы горелки не определялось, так как этот вопрос уже достаточно изучен [19,