книги / Химия и технология баллиститных порохов, твердых ракетных и специальных топлив. Т. 2 Технология

d N = к(т™ + By)"+>

Если ввести переводной коэффициент / = 2,34-10-2 (кал/с)/(кгс-см/с), то получим интенсивность выделения энер­ гии, выраженную в тепловых единицах:

Из выражения 4.188 видно, что тепловыделения по высоте канала неравномерны и резко нарастают от поверхности винта к поверхности втулки.

Применительно к процессу течения пороховой массы в за­ зоре между винтом и корпусом интенсивность тепловыделений

Поскольку и по глубине винта, и по глубине зазора ско­ рость сдвига зависит параболически от у и тепловыделения существенно меняются от слоя к слою, их суммарное значе­ ние на каком-либо участке определяется интегрированием вы­ ражений (4.188) и (4.189) в необходимых пределах.

Итак,

Q’ =2,34-10'2 к Г 2(ти +By)"+I dy =

J У| и

3 4 1

— (и+2) dl

На рис. 162, 163 показано графическое изменение интен­ сивности тепловыделений по глубине канала и величине зазо­ ра между винтом и втулкой. Как в том, так и в другом случае локальные тепловыделения, отнесенные к одному см3, резко возрастают у поверхности втулки, т. е. в области больших ско­

у поверхности втулки и винта отличаются примерно на три порядка. Так, если в результате вязкого течения у втулки вы­ деляется 3,71 кал/с в пересчете на 1 см3, то у поверхности винта (без учета внешнего трения) всего 1,63-К)-4 кал/с. Бы-

Рис. 162. Распределение тепловыделений по глубине канала:

к = 2*10-7; п = 5,5; тц = 5 кгс/см2; b = 8 см; ф =16°

342

Рис. 163. Распределение тепловыделений по глубине зазора (направление от поверхности втулки):

к = 2-10-7; п = 5,5; тм = 5 кгс/см2; b = 8 см, <р =16°

строе падение интенсивности выделения диссипативной энер­ гии приводит к тому, что вся теплота, выделяемая по всей глубине канала (в расчете на 1 см по ширине канала), состав­ ляет всего 0,516 кал/с, а в слое, равном 2 мм, — 0,296 кал/с. Если бы интенсивность была по всему каналу такой же, как у поверхности втулки, то условный температурный разогрев мог достигнуть в середине свода 250°С.

Интегральные тепловыделения, взятые по слоям толщиной 2 мм и отнесенные к объему 1 см3, отличаются существенно меньшими значениями. Так, 2-х мм слой в зоне наибольших градиентов скоростей выделяет не 3,71 кал/см3 с, а только 1,05 кал/см3*с.

Выделение тепла при вязком течении пороха в зазоре меж­ ду винтом и корпусом более интенсивно, чем в канале винта, градиент тепловыделений здесь значительно меньше по срав­ нению с каналом.

343

При определении температур, до которых разогревается порох в канале винта в результате тепловыделений, воспользу­ емся дифференциальным уравнением в частных производных для ламинарного потока. При этом допускаем, что порох изо­ тропен, т. е. теплопроводность, плотность и теплоемкость счи­ таем постоянными.

где Т — температура; t — время; а — коэффициент температу­ ропроводности; G — мощность источника тепла.

Коэффициент температуропроводности определяется по уравнению:

С,Р

где к — коэффициент теплопередачи; ср — теплоемкость при постоянном давлении; р — плотность.

Введем следующие ограничения:

—режим теплопередачи считаем установившимся, т. е. в лю­ бой точке канала винта температура не зависит от времени;

—поскольку ширина канала значительно превышает его глубину, а тепловой поток по ребордам винта является напря­ женным и малоэффективным с точки зрения теплоотвода, при­ нимаем, что градиент температуры по ширине канала равен 0.

^dT п д2 Т п д2 Т

В выражении (4.197) и тепловыделения, и коэффициент теплопередачи являются функцией глубины канала. Тепловы­ деления были определены выражением (4.188). Коэффициент теплопередачи определим при следующих условиях:

344

— считаем, что теплопередача определяется теплопровод­ ностью пороха и пренебрегаем теплоотдачей к металлу, тепло­ проводностью металла и теплоотдачей от металла к воде;

— тепловой поток направлен в сторону втулки пресса и винта пресса. Теплоотводом к ребордам винта пренебрегаем, т. е. определены условия в слоях пороха, близких к середине

Выражение для температур применительно к каналу имеет вид [115]:

х;+3 [В2h(n+4)+2тJBy

+ (п +2)(л + 3)(л + 4)

Соответственно для зазора:

х

А*

(4.199)

(п +2)(и +3)(и + 4)

345

Как видно из выражений (4.198) и (4.199), температура в канале винта значительно изменяется от поверхности винта

наглядно показывают, что тепловыделения и температуры по глубине канала в основном определяются скоростью сдвига, однако возрастают значительно интенсивней на начальном участке (от поверхности винта).

В уравнениях распределения температур градиент давления влияет на температуру параболически, а индекс течения сам является степенью по отношению к скорости сдвига. Поэтому влияние и напорности пресса, и реологических свойств пороха на температуру пороха как в канале, так и в зазоре огромно. На рис. 165 представлены графики зависимости температуры от величины В (пропорциональной градиенту) и характеристик к п п . Видно, что на определенном участке кривые имеют из­ лом, что свидетельствует о резком возрастании при данных ус­ ловиях скорости сдвига пороховых слоев в канале винта. По­ этому точки перегиба являются граничными условиями работы пресса, которые будут определенны в следующем разделе.

Рис. 164. Распределение напряжения, скорости сдвига, тепловыделений, температуры по глубине канала винта:

1 - 700; 2 - 3 - т; 4 - у; 5 - Ô

о у

346

Рис. 165. Зависимость максимальной температуры в канале винта от гра­ диента давления и реологических свойств состава:

4.5 Шнековые пресса. Требования к безопасности процесса. Основы проектирования и типы прессов

Модифицированные БРТТ содержат в своем составе зна­ чительное количество наполнителей в виде минеральных и ор­ ганических инертных компонентов, металла и взрывчатых ве­ ществ. Порох РТГ-25 содержит 25% гексогена и 10% металла. Плазменные пороха БП-10, БП-12, БП-15 имеют в своем со­ ставе 20...25% металла и 12...15% азотнокислого цезия. Такие пороха отличаются большей чувствительностью к механиче­ ским воздействиям и детонационному импульсу. Критическое расстояние передачи детонации достигает значения 30...40 мм, тогда как у штатных порохов — 15...20 мм.

Изменяются и технологические свойства порохов. Возрас­ тающее внешнее трение при неизменных или даже ухудшаю-

347

Рг. кгс/см2

щихся вязких свойствах пороха затрудняет его переработку на всех технологических аппаратах. В первую очередь это отно­ сится к шнековому прессу, для нормальной работы которого важны именно реологические свойства массы.

Важным фактором, выставляющим дополнительное требо­ вание к технологии порохов, является снижение термостойкостных свойств новых составов. Активное взаимодействие ме­ талла (А1 + Mg) с окислителем (селитра) в водной среде при повышенных температурах является причиной более высокого газовыделения при переработке пороха. При тех же технологи­ ческих режимах изготовления такой порох оказывается нетер­ мостабильным. Пониженная термохимическая устойчивость часто является причиной получения брака еще на стадии пе­ реработки, особенно на фазе прессования. Вздутия поверхно-

348

сти в виде «пузырей», очаги разложения, «перегрев» — вот да­ леко не полный перечень дефектов, которые так или иначе связаны с термохимической устойчивостью. Следовательно, применяющиеся для штатных порохов процессы прессования по интенсивности сдвиговых процессов и тепловыделений практически неприемлемы для изготовления новых порохов.

Таким образом, разработка шнековых прессов для новых баллиститных порохов должна учитывать следующие категории их свойств:

—повышенную чувствительность к детонационному им­ пульсу и механическим воздействиям;

—ухудшенные реологические характеристики;

—пониженную термохимическую стойкость.

Как видно, задача создания новых прессов является слож­ ной и многостадийной. Она не может решаться абстрактно: разработка пресса включает в себя анализ перечисленных свойств пороха, инженерные расчеты процесса с целью выбо­ ра оптимальных технологических и конструктивных парамет­ ров и поиск решений, обеспечивающих эти параметры.

Решение задачи в полном объеме может быть достигнуто усилиями коллектива специалистов, включающего в себя хи­ миков — разработчиков пороха, технологов и конструкторов. До сих пор вопросы создания новых шнек-прессов, также как, впрочем, и проектирование пороха по реологическим свойст­ вам решались эмпирически, путем многочисленных экспери­ ментальных опробований винтов различных геометрических размеров в опытном производстве или непосредственно на за­ воде. Время создания новой конструкции пресса исчисля­ лось годами. Обычно такая работа сопровождается в период отработки серией аварий и получением значительного количе­ ства брака.

Кроме того, разработка новых составов порохов вследствие неопределенности граничных условий процесса прессования превращается в такую же бесконечную цепь производственных экспериментов по подбору необходимых реологических свойств.

Разработанные методы количественной оценки закономер­ ностей течения баллиститного пороха в канале винта шнек-пресса позволяют определить максимально развиваемое прессом давление, объемный расход противотока и утечек, об­ щую производительность пресса и тепловыделения в канале винта. Кроме того, определяются критические условия процес-

349

са и граничные параметры конструкции пресса и реологиче­ ских свойств пороха. Однако аналитический метод решения охватывает не весь комплекс задач, связанных с процессом прессования. Методы оценки безопасности и термохимиче­ ской устойчивости пороха, включая критические условия са­ мовоспламенения, остаются эмпирическими. Поскольку трудо­ емкость экспериментов в данном случае мала, то аналитиче­ ское решение не является столь необходимым, как решение тех задач, которые были приведены ранее.

Таким образом, на первой стадии разработка пресса вклю­ чает в себя инженерные расчеты и лабораторные эксперимен­ ты по определению исходных данных для проектирования.

Для примера ниже приведены результаты работ по созда­ нию высокопроизводительного пресса, обеспечивающего безо­ пасные условия процесса и качество получаемых изделий. При получении исходных данных проектирования были определе­ ны необходимые условия, исключающие выход детонации в плотный порох, и изучены реологические и термохимиче­ ские свойства новых порохов. На основе результатов этих ис­ следований определялись конструктивные параметры пресса и граничные условия его работы. Независимо от этого разра­ ботаны критерии оценки безопасности процесса, прогнози­ рующие условия и возможность загорания пороха в прессе.

4.5.1 Безопасность процесса прессования. Условия разрыва детонационной цепи по интенсивности и экстенсивности

Выход детонации из рыхлого порохового полуфабриката

вплотный порох возможен только по промежуточному заряду

спостепенно нарастающей плотностью. В шнековом прессе всегда присутствуют три компоненты, необходимые для разви­ тия детонации: рыхлый полуфабрикат, участок пороха с посте­ пенно нарастающими плотностями и плотный порох. Поэтому всегда имеется возможность как возникновения детонации, так и ее дальнейшего развития.

Однако эта возможность может быть уменьшена или даже сведена до нуля конструктивными приемами. Выше были на­ званы факторы, в той или иной степени влияющие на разрыв детонационной цепи.

Одним из важнейших является критический диаметр дето­ нации заряда в рыхлой зоне и на участке переходных плотно­ стей. Если брать неизменными свойства пороха, размер и по­ ристость полуфабриката, то критический диаметр будет зави-

350