Введение к работе
Актуальность работы. Созданные в нашей стране твердотопливные самовозбуждающиеся импульсные магнитогазодинамические генераторы (МГДГ) продемонстрировали высокую эффективность при проведении электрического глубинного зондирования земной коры для решения научных, прогностических и поисковых задач в геологии и геофизике, что обусловлено высокой плотностью запасаемой энергии, компактностью, автономностью и достаточной простотой эксплуатации в различных климатических условиях. Однако широкое внедрение импульсных МГДГ в практику геофизических исследований и геологических поисковых работ в настоящее время сдерживается довольно высокой стоимостью пуска МГД-установки, что обусловлено использованием дорогостоящих расходных комплектующих элементов: генератора плазмы (ГП) и МГД-канала. При этом доля плазмообра-зующего топлива в стоимости пуска может составлять до 30 %. В этой связи весьма актуальными являются исследования по совершенствованию источников рабочего тела МГДГ - генераторов плазмы как в части повышения эффективности использования существующих твердых плазмообразующих теплив (ТПТ), так и в создании новых перспективных топливных композиций и конструкций ГП с целью обеспечения повышения удельных энергетических характеристик импульсных геофизических МГД-установок.
Целью настоящей работы является разработка практических рекомендаций по повышению удельных энергетических параметров импульсных МГД-генераторов за счет совершенствования источника рабочего тела - генератора плазмы в части его конструктивной схемы, рабочих параметров и состава плазмообразующего топлива на основе экспериментальных и расчетных исследований процессов, протекающих в камерах сгорания источников рабочего тела, как в традиционных пороховых генераторах плазмы, так и в комбинированных источниках рабочего тела на твёрдом горючем и газооб-
разном окислителе, а также источниках рабочего тела на порошкообразном горючем, сжигаемом в газообразном кислороде. Научная новизна заключается в следующем:
определены основные закономерности выгорания агломератов металла вблизи поверхности горения твердых плазмообразующих топлив (ТПТ) и в объеме камеры сгорания ГП, а также коэффициент аэродинамического сопротивления горящих металлических частиц в продуктах сгорания ТПТ;
проведены экспериментальные исследования поведения легкоионизи-рующейся присадки в волне горения ТПТ и в объеме камеры сгорания генератора плазмы и установлены явления агломерации ионизирующейся присадки и ее диспергирования с горящей поверхности ТПТ;
на основе выполненных экспериментальных исследований процесса горения ТПТ уточнены физическая и математическая модели поведения дисперсных компонент ТПТ в ГП, с использованием которых разработаны рекомендации по модернизации состава ТПТ и изменению рабочих параметров ГП с целью снижения потерь электропроводности продуктов сгорания;
проведены экспериментальные исследования использования воздуха в качестве дополнительного окислителя для ТПТ, в которых показана возможность снижения стоимости пуска импульсного МГД-генератора за счет использования дешевого окислителя при одновременном повышении подвижности электронов в продуктах сгорания ~ в 2 раза;
проведены экспериментальные исследования использования продуктов горения пиротехнического состава в качестве дополнительного окислителя для ТПТ, в которых показано, что наряду с сохранением всех преимуществ твердотопливного ГП использование схемы раздельного снаряжения позволяет повысить удельные энергетические параметры импульсного МГД-генератора на 46 %;
на основе проведенных лабораторных экспериментальных исследований горения компонентов углеродного металлизированного порошкообраз-
ного топлива с размером частиц до 300 мкм в кислороде при давлении 6 МПа разработана математическая модель ГП на порошкообразном горючем, проведены численные исследования эволюции полидисперсных ансамблей частиц углеродного и металлического горючего и испарения легкоионизи-рующейся присадки в камере сгорания ГП и разработаны рекомендации по дисперсности исходных порошков, длине камеры сгорания ГП и составу порошкообразной топливной композиции для обеспечения полной реализации проектных электрофизических характеристик продуктов сгорания.
Практическая ценность работы заключается в разработке практических рекомендаций по выбору давления в твердотопливных ГП, зависящего от содержания металлического горючего в ТПТ, по конструктивной схеме комбинированных ГП, по составу порошкообразного углеводородного плаз-мообразующего топлива, использование которых в перспективных разработках обеспечит полноту реализации проектных электрофизических характеристик продуктов сгорания и повышение удельных энергетических параметров импульсных МГД-генераторов.
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих научных мероприятиях: на Всесоюзной конференции по применению аппаратов порошковой технологии и процессов термосинтеза в народном хозяйстве (Томск, 1987г.), на 3-м Всесоюзном совещании по физике низкотемпературной плазмы с конденсированной дисперсной фазой (Одесса, 1988 г), на 11-м, 12-м, 14-м Всесоюзных семинарах по электрофизике горения (Караганда, Челябинск, 1988, 1989, 1991 г.г.), на 9-м Всесоюзном симпозиуме по горению и взрыву (Суздаль, 1989г.), на 10-й (Индия, 1989г.) и 11-й (Китай, 1992г.) международных конференциях по МГД- преобразованию энергии, на первом Азиатско-Тихоокеанском международном симпозиуме по горению и использованию энергии (Китай, 1990 г.), на 13-м Международном коллоквиуме по динамике взрыва и реагирующих систем (Япония, 1991 г.), на Международной конференции по преобразованию энергии в
магнитогидродинамических потоках (Франция, 1991 г.), на 20-й Международной конференции по явлениям в ионизованных газах (Италия, 1991 г.), на Втором международном симпозиуме по пиротехнике и взрывчатым веществам, объединенным с 17-м международным пиротехническим семинаром (Китай, 1991 г.), на 30-м, 32-м и 33-м (США, 1992, 1994, 1995 г.г.) симпозиумах по инженерным аспектам магнитной гидродинамики, на 17-м Симпозиуме по эффективному использованию и прямому преобразованию энергии (Япония, 1995 г.), на 20 Международной конференции по преобразованию энергии (Япония, 1998 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 статей в научных журналах и 26 статей в сборниках трудов научных конференций и симпозиумов.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, выводов и библиографии. Работа изложена на 144 страницах машинописного текста, включая 74 рисунка, 15 таблиц, и список цитируемой литературы, насчитывающий 122 наименования.
