Система аварийного всплытия подводных аппаратов "малахит-1", устройство для продувания цистерн главного балласта при аварийном всплытии и способ аварийного всплытия

Система аварийного всплытия подводных аппаратов "малахит-1", устройство для продувания цистерн главного балласта при аварийном всплытии и способ аварийного всплытия

Реферат

 

Изобретение относится к области подводного кораблестроения. Способ аварийного всплытия подводного аппарата предусматривает продувание цистерн главного балласта (ЦГБ) парогазовой смесью, в которой водяной пар образуют непосредственно из воды в ЦГБ путем распыления на металлическую поверхность, разогретую газообразными продуктами сгорания твердого топлива. Обеспечивают турбулизацию потока парогазовой смеси, формирование струй заданой формы с температурой вещества не выше 800^oС, скоростью потока 10-20 м/с. Система аварийного всплытия включает ряд однотипных газогенераторов с камерами сгорания твердого топлива (ТГГ), в которых установлена также герметизирующая разрывная диафрагма. ТГГ установлены в проницаемых частях междубортного пространства и связаны газоходными трубопроводами, в которые вмонтированы ловушки разрывных диафрагм, с устройствами продувания ЦГБ, установленными в верхней части ЦГБ на расчетном расстоянии от крыши ЦГБ. Устройство продувания ЦГБ содержит соосные цилиндрические оболочки с водяными карманами между ними. Внутренняя оболочка является проточной, образована последовательно установленными рабочим соплом, приемной камерой с форсункой-распылителем, камерой смешения, диффузором и выходным кольцевым раструбом и обеспечивает регулируемый водозабор на распыление для образования парогазовой смеси на входе и формирование струйного потока на выходе. При аварийном всплытии массу твердого топлива выбирают в зависимости от глубины погружения, заряды воспламеняют последовательно, а для побортно установленных ЦГБ - парами, причем скважность последовательного воспламенения зарядов определяется прочностными свойствами ЦГБ. Достигается создание высокоэффективной и надежной системы аварийного всплытия, обеспечивающей спасение подводной лодки при возникновении аварии в подводном положении. 3 с. и 3 з.п.ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к области подводного кораблестроения и может быть использовано в качестве спасательного средства подводных аппаратов, преимущественно подводных лодок (ПЛ), обеспечивающего экстренное всплытие ПЛ на поверхность при возникновении аварии в подводном положении.

Известна система всплытия подводных (глубоководных) аппаратов (патент США 3626881. РЖ В. тр-та, 10А 419, 1972), в которой использованы балластные отсеки, расположенные по бортам вне прочного корпуса и сообщающиеся с водой через отверстия в нижней части. В каждом отсеке установлен прочный цилиндр со скользящим поршнем, также заполненный водой и имеющий по концам запорные клинкеты. Газогенераторная установка вырабатывает горячие продукты сгорания, которые служат для продувания балластных отсеков.

Способ всплытия с использованием известной системы предусматривает подачу продуктов сгорания топлива через запорные клинкеты в прочные цилиндры для перемещения поршня и вытеснения балласта из цилиндра в отсек и далее за борт.

Недостатком известной системы и способа всплытия подводных аппаратов является недостаточная эффективность и надежность в условиях аварии из-за ограниченных объемов цилиндров, потери работоспособности при повреждении цилиндра или поршня, а также вследствие известной инерционности.

Аналогичным образом построена и балластная система подводной лодки (Франция, патент 1598530), в которой вытеснение воды из балластных цистерн, объединенных в кольцевую систему, производится с помощью поршней, а способ аварийного всплытия предусматривает подачу в балластные цистерны газа, который выделяется вследствие взаимодействия с водой реагента, помещенного в контейнер в балластной цистерне, при превышении критической величины давления в ней.

Известна система аварийного всплытия (спасательное средство) подводных аппаратов (ФРГ, патент N PS 2324709, B 63 G 8/24, публ. 17.03.83), включающая несколько независимых, преимущественно однотипных, газогенераторных установок, расположенных непосредственно в цистернах главного балласта (ЦГБ), средства управления включением электрических воспламенителей установок с датчиком глубины.

В упомянутой системе аварийного всплытия подача требуемого для создания дополнительной плавучести газа осуществляется включением в действие только определенного количества газогенераторных установок, определяемого глубиной погружения. При этом газогенераторные установки размещены непосредственно в ЦГБ, а газ в этих установках получают с помощью химической реакции и/или каталитического разложения жидкого реагента.

В известной системе не предусматриваются мероприятия по оптимизации энергетических характеристик процесса продувания (удельного расхода реагента, интенсивности продувания, тепловой нагрузки на корпусные конструкции, формирующие ЦГБ) и не обеспечен расчетный режим работы установок (т.е. режим с достоверными расчетными зависимостями для всех указанных характеристик в зависимости от глубины) с учетом различной геометрии, объемов ЦГБ и мест установки газогенераторов.

Известная система аварийного всплытия отличается cложностью, трудоемкостью и может быть реализована преимущественно на небольших глубинах и при малых объемах ЦГБ.

Известная система может быть выбрана в качестве наиболее близкого аналога.

Известно устройство для продувания ЦГБ - твердотопливный газогенератор с высокой производительностью газа со сниженной температурой (Франция, патент N 2116947), состоящий из цилиндрического резервуара с испаряющейся жидкостью (водяного кармана), цилиндрической прочной камеры сгорания, окружающей резервуар, снабженной зарядом топлива и зажигательным устройством, и цилиндрической камеры смешения, соединяющейся с камерой сгорания и с резервуаром. Охлаждение газа достигается за счет его расширения на пути из камеры сгорания в камеру смешения и за счет испарения жидкости, подаваемой в камеру смешения под воздействием подвижного поршня, перемещаемого в резервуаре давлением газа, развивающимся в камере сгорания. Охлажденный газ предусматривается подавать потребителю (в нашем случае - в ЦГБ) через выходной диффузор.

Известное устройство не может устанавливаться в забортной воде (непосредственно в продуваемых ЦГБ или в междубортном пространстве), поскольку не снабжено конструктивными средствами для разобщения заряда топлива и зажигательного устройства от окружающей газогенератор среды. Для подвижного поршня в составе резервуара, находящегося в условиях длительного попеременного воздействия морской воды и влажного воздуха в широком диапазоне эксплуатационных температур, не представляется возможным обеспечить конструктивное исполнение, гарантирующее необходимую надежность функционирования.

Известное устройство для продувания ЦГБ может быть принято в качестве близкого аналога.

Известен способ продувания ЦГБ, реализуемый с помощью газогенераторов с высокой производительностью и сниженной температурой газа (Франция, патент N 2116947). В известном способе для продувания ЦГБ получают газ, охлажденный до средней температуры за счет его расширения и испарения воды с образованием парогазовой смеси.

Известный способ также не регламентирует мер по оптимизации энергетических характеристик процесса продувания и по обеспечению расчетного режима работы, но предусматривает охлаждение газогенераторного газа за счет его расширения и испарения воды и поэтому может быть выбран в качестве наиболее близкого аналога.

Задача изобретения состоит в создании высокоэффективной и надежной системы аварийного всплытия, обеспечивающей спасение ПЛ при возникновении аварии в подводном положении, в том числе сопровождающейся поступлением забортной воды в помещения прочного корпуса через возможные "пробоины", за счет экстренного в кратчайшее время продувания ЦГБ и создания необходимой для всплытия на поверхность положительной плавучести с обеспечением при этом высокой экономичности по расходу топлива, надежной защиты конструкций, формирующих ЦГБ, от тепловых нагрузок, а также расчетных энергетических характеристик и параметров процесса продувания ЦГБ на любой глубине вплоть до предельной с учетом геометрических, масштабных и конструктивных особенностей ЦГБ.

Задача решена тем, что в известной системе аварийного всплытия (спасательном средстве) подводного аппарата, содержащей несколько, преимущественно однотипных, газогенераторных установок, располагаемых в назначенных для продувания при аварии ЦГБ, включение электрических воспламенителей которых производится только для определенного числа установок в зависимости от глубины погружения, в соответствии с изобретением система включает ряд однотипных газогенераторов, имеющих камеру сгорания с зарядом твердого топлива (ТГГ), устройство воспламенения заряда топлива, сопловой блок и разрывную диафрагму, герметизирующую камеру сгорания, снабжена устройствами продувания цистерн главного балласта (ЦГБ), газоходными трубопроводами для их соединения с ТГГ, а также ловушками разрывных диафрагм ТГГ; при этом устройства продувания установлены непосредственно в ЦГБ, газогенераторы установлены в проницаемых частях междубортного пространства, например в надстройке, а ловушки разрывных диафрагм вмонтированы в газоходные трубопроводы, причем площадь минимального проходного сечения ловушки больше площади критического сечения сопла ТГГ, при этом устройства продувания ЦГБ размещены в верхней части ЦГБ, в положении, близком к вертикальному, и на удалении от крыши ЦГБ, при котором выполняется соотношение V_O=NV_p², где V_O - объем ЦГБ выше горизонтальной плоскости, проходящей через точку пересечения продольной оси устройства с наружной кромкой защитного экрана, м³; V_p - полный продуваемый объем ЦГБ, м³; N - коэффициент пропорциональности, численная величина которого определяется экспериментально, 1/м³.

Задача решена также тем, что ТГГ снабжен сигнализатором давления в камере сгорания.

Задача решена также тем, что ловушка разрывной диафрагмы ТГГ выполнена в виде полого силового стержня с обтекателем, снабженного отверстиями для заполнения внутренней полости охлаждающей водой самотеком, установленного обтекателем в сторону ТГГ и раскрепленного в цилиндрическом корпусе ловушки продольными ребрами с установленными на них осесимметричными кольцами.

Задача решена тем, что устройство продувания ЦГБ, включающее резервуар с испаряемой жидкостью и камеру смешения, в соответствии с изобретением имеет соосные внешнюю цилиндрическую и внутренние цилиндрические и конические оболочки, между которыми размещены водяные карманы, внутренние оболочки образуют проточную часть устройства в виде последовательно установленных рабочего сопла, приемной камеры, камеры смешения, диффузоров и выходного кольцевого раструба; на оболочке приемной камеры установлены форсунки-распылители, снабженные узлом для регулировки степени раскрытия, выполненным в виде кольцевой щели между двумя коническими поверхностями с регулируемым пространственным зазором между ними, и герметично пристыкованными водозаборными трубками; во внешней цилиндрической оболочке установлены горловины со съемными герметизируемыми крышками, а выходной кольцевой раструб снабжен коническим рассекателем потока с углом между образующими при вершине, равным 40^o, и кольцевым защитным экраном, установленным в плоскости, перпендикулярной продольной оси устройства, и имеющим отверстия, суммарная площадь которых равна или превышает площадь проходного сечения камеры смешения.

Задача решена тем, что в известном способе аварийного всплытия подводного аппарата путем продувания ЦГБ парогазовой смесью продуктов сгорания твердого топлива и водяного пара, в соответствии с изобретением водяной пар образуют непосредственно из воды в объеме ЦГБ путем ее распыления на металлическую поверхность, разогретую газообразными продуктами сгорания твердого топлива, водяной пар направляют в поток газообразных продуктов сгорания топлива, обеспечивая перегрев и интенсивное смешение пара с газом за счет турбулизации потока путем его резкого торможения, образующуюся парогазовую смесь подают в ЦГБ при температуре не выше 800^oC и скорости в пределах 10-20 м/с разобщенными осесимметричными струями, сформированными в виде конического факела с раствором 40^o, с ориентацией результирующего вектора потока в направлении, близком к перпендикулярному относительно основной плоскости подводного аппарата, а место ввода смеси в цистерну выбирают исходя из удовлетворения соотношению, отражающему условия постоянства долевого вклада пространственно-временного взаимодействия продуктов сгорания топлива с водой в начальный период продувания в составляющие уравнений теплового и массового балансов процесса продувания в целом: V_O = NV_p², где V_O - объем ЦГБ над местом ввода смеси, м³; V_p - полный продуваемый объем ЦГБ, м³; N - удельная, приходящаяся на 1 м³ объема V_p величина объемного соотношения V_O/V_p, определяемая экспериментально; необходимую массу твердого топлива выбирают в зависимости от глубины погружения, а парогазовую смесь для продувания ЦГБ образуют путем последовательного воспламенения зарядов топлива, при этом дискретность набора необходимой массы топлива и временной интервал последовательных воспламенений зарядов определяют из условия непревышения предельно-допустимых значений избыточного давления в ЦГБ по условиям прочности. Кроме того, для побортно разделенных ЦГБ воспламенение зарядов топлива производят последовательно парами.

Технический результат изобретения заключается в создании высокоэффективной и надежной корабельной системы аварийного всплытия, обеспечивающей спасение ПЛ при возникновении аварии в подводном положении, в том числе сопровождающейся поступлением забортной воды в помещения прочного корпуса через возможные "пробоины" за счет экстренного в кратчайшее время продувания ЦГБ и создания необходимой для всплытия на поверхность положительной плавучести с обеспечением при этом высокой экономичности по расходу топлива, надежной защиты конструкций, формирующих ЦГБ, от тепловых нагрузок и расчетных энергетических характеристик и параметров процесса продувания ЦГБ на любой глубине, вплоть до предельной, с учетом геометрических, масштабных и конструктивных особенностей ЦГБ. Требуемая эффективность системы и, в частности, для экстренного всплытия при аварии с поступлением забортной воды в помещения прочного корпуса ПЛ обеспечивается выбором объемов и расположения ЦГБ, оборудуемых для аварийного продувания с помощью ТГГ.

Высокая эффективность использования выбранных объемов ЦГБ обеспечивается за счет высокой энергетики газогенераторного топлива и высокого термического коэффициента полезного действия, определяемого долей полезных затрат тепловой энергии в процессе. Оптимизация затрат энергии, необходимая защита конструкций ЦГБ от тепловых нагрузок и расчетный режим процесса продувания ЦГБ достигаются за счет мер, регламентированных способом продувания и нашедших конструктивное воплощение в устройстве продувания ЦГБ в соответствии с изобретением.

Надежность системы аварийного всплытия обуславливается простотой конструкции газогенераторов, простотой и надежностью известных средств инициирования твердотопливных зарядов (пиропатронов) и схемы их задействования. Наличие сигнализатора давления позволяет в случае отказа какого-либо ТГГ подключить резервный газогенератор и тем самым дополнительно повысить надежность системы.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, на которой представлена структурная схема системы аварийного всплытия; фиг.2, на которой изображена монтажная схема функционального узла системы в составе газогенератора, газоходного трубопровода с ловушкой диафрагмы и устройства продувания ЦГБ; фиг. 3 и 4, на которых изображен твердотопливный газогенератор; фиг.5, на которой показана ловушка разрывной диафрагмы ТГГ (а - продольный разрез, б - вид сверху); фиг. 6 и 7, на которых изображено устройство продувания ЦГБ (6а - продольный разрез устройства, 6б - вид сверху, 7 - впрыскивающая форсунка - продольный разрез); фиг.8, на которой представлена схема установки устройства продувания в ЦГБ; фиг.9 - схема работы устройства продувания ЦГБ; фиг.10 - функциональная зависимость продуваемого объема (V) и интенсивности продувания () от времени продувания ; фиг.11 - зависимость удельного расхода топлива (q) от давления в ЦГБ в процессе продувания (Рц); фиг.12 - характеристики рабочей парогазовой смеси в ЦГБ и максимальная температура (t^oC) на поверхности "стенки" ЦГБ в зависимости от давления (Рц) при продувании.

В состав системы аварийного всплытия входят (фиг.1) для одной из побортно разделенных ЦГБ: функциональные узлы системы, включающие однотипные газогенераторы 1, ловушки разрывных диаграмм 2. газоходные трубопроводы 3, сообщающие газогенераторы 1 с устройствами продувания ЦГБ 4. Количество функциональных узлов, которыми оборудуется ЦГБ, зависит от максимальной глубины, на которой должно обеспечиваться аварийное продувание, от объема цистерны, массы заряда топлива в газогенераторе и выбирается исходя из удельного расхода топлива (на 1 м³ продуваемого объема ЦГБ) - q кг/м³, реализуемого в системе в зависимости от глубины погружения. B состав системы входят также устройства управления включением ТГГ в работу 5 с выбором количества включаемых генераторов в зависимости от забортного давления P_h, контролируемого прибором 6. В устройства управления поступают сигналы о фактическом срабатывании газогенераторов (показаны пунктиром) от сигнализаторов давления, контролирующих давление в камерах сгорания.

Одним из возможных вариантов монтажной схемы функционального узла системы предусматриваeтся расположение газогенератора 1, например, в надстройке, с установкой его на верхнем стрингере 7 ЦГБ (фиг.2). В верхней части ЦГБ, в положении, близком к вертикали, установлено устройство продувания 4, сообщающееся с ТГГ посредством газоходного трубопровода 3. B составе газоходного трубопровода 3 предусматривается установка ловушки разрывной диаграммы ТГГ 2.

Газогенератор 1 (фиг.3) содержит прочный корпус 8, в камере сгорания которого 9 установлен заряд твердого топлива 10, раскрепленный с помощью решетки 11, сопловой блок, в котором установлен сопловой вкладыш 12, опорное кольцо 13 и диафрагма свободного разрыва 14. В отводящий от ТГГ газ газоходный трубопровод 3 вмонтирована ловушка диафрагмы 2.

Диафрагма 14 предназначена для герметизации камеры сгорания и должна обладать высокой прочностью, чтобы выдерживать статическое забортное давление вплоть до значений, соответствующих предельной глубине погружения ПЛ, а также возможные динамические нагрузки (например, в результате воздействия противолодочного оружия). С другой стороны, она должна разрываться практически мгновенно при включении ТГГ в работу при давлении, существенно меньшeм максимального давления в камере сгорания при работе (чем выше давление разрыва, тем вероятнее заброс давления в камере сгорания выше допустимого, тем выше "пик" давления в ЦГБ в момент разрыва). Поэтому диафрагма целиковая или лепестковая (разрывающаяся на несколько частей) имеет значительную толщину и массу, но снабжается кольцевыми и радиальными (у лепестковой диафрагмы) проточками. Указанные проточки снижают номинальную величину и разбросы давления разрыва диафрагмы. Для того чтобы обеспечить необходимую прочность диафрагмы со стороны внешней среды, используется опорное кольцо 13. Несмотря на указанные меры, давление разрыва достаточно велико (на 70 кгс/см² превышает внешнее гидростатическое давление), и обладающая значительной массой диафрагма (или части ее) приобретаeт высокую кинетическую энергию. Вследствие этого существует опасность повреждения диафрагмой обшивки и оборудования ЦГБ. Кроме того, попадая в ЦГБ, части диафрагмы могут препятствовать работе оборудования (например, закрытию захлопок кингстонов).

Для остановки диафрагмы в газоходном трубопроводе с безопасным расположением ее относительно направления потока газа в соответствии с изобретением предусматривается ловушка диафрагмы 2.

Со стороны, противоположной сопловому блоку (фиг. 4), газогенератор включает крышку корпуса камеры сгорания 15, на которой устанавливается герметичный (относительно забортной воды и камеры сгорания) стакан 16, к которому с помощью герметичного электросоединителя подключается кабель цепей управления и контроля 17. В стакане и частично в камере сгорания смонтировано устройство воспламенения заряда (18,19,20 и 21) и в соответствии с изобретением устанавливается сигнализатор давления 22, рабочая полость которого сообщена с камерой сгорания.

Газогенератор-прототип не имеет средства контроля фактического срабатывания, что в условиях ПЛ является недостатком. Подача командного сигнала на зажигательное устройство при самой надежной схеме инициирования заряда еще не означает срабатывания газогенератора. Отсутствие контроля не позволяет автоматически подключить другой, исправный газогенератор и тем самым исключить потерю эффективности спасательного средства, a также избежать таких неприятных последствий, как возникновение опасного крена при аварийном всплытии (при несрабатывании ТГГ с одного борта при продувании побортно разделенной ЦГБ). Кроме того, при демонтаже газогенераторов по возвращении ПЛ в базу после аварийного всплытия важно знать, что один из ТГГ, а именно такой-то, не сработал, и его демонтаж и последующее хранение требуют соблюдения определенных мер безопасности. Дополнительным положительным эффектом от установки сигнализатора давления является возможность в процессе подводного плавания контролировать давление в камере сгорания, повышение которого может быть вызвано только потерей герметичности и поступлением в камеру забортной воды, чреватого намоканием заряда топлива и выходом ТГГ из строя. Известные средства диагностики ТГГ (обычно это контроль целостности и сопротивления изоляции цепей управления) не позволяют установить факт обводнения камеры сгорания).

Ловушка разрывной диафрагмы (фиг.5), сварной конструкции содержит корпус 24, центральный силовой стержень 25 с оголовком-обтекателем, раскрепленный в корпусе 24 посредством радиально установленных ребер 26 с установленными на них кольцами 27. Корпус ловушки снабжается присоединительными фланцами 28 для возможности монтажа ловушки в составе газоходного трубопровода. Конструкция ловушки выполнена таким образом, что площадь ее минимального проходного сечения больше критического сопла ТГГ (чтобы не влиять на внутренние баллистические характеристики ТГГ), а размеры любого из отверстий, образованных соседними ребрами 26 и кольцами 27, исключают возможность проскакивания частей диафрагмы. Ловушка устанавливается вершинами ребер 26 в сторону ТГГ, силовой стержень выполнен полым и снабжен отверстиями 29 для заполнения внутренней полости охлаждающей водой самотеком и повышения тем самым термостойкости конструкции в потоке высокотемпературного газогенераторного газа.

Устройство продувания ЦГБ (фиг.6,7) выполнено из соосных внешних цилиндрических и внутренних цилиндрических и конических оболочек. Внутренние оболочки формируют проточную часть устройства, в которую поступают продукты сгорания топлива от ТГГ. Проточная часть содержит рабочее сопло 30, приемную камеру 31, камеру смешения 32, диффузоры 33 и выходной кольцевой раструб 34, закрытый защитным экраном 35 со множеством отверстий 36.

Между внешней 37 и внутренней оболочкой, образованной сопряженными участками 31-33, размещены водяные карманы, предназначенные для приема необходимого количества воды. Заполнение карманов водой осуществляется в процессе заполнения ЦГБ при погружении ПЛ через четыре отверстия 38 с вентиляцией воздуха из карманов через четыре отверстия 39. За счет этих же отверстий обеспечивается слив воды из карманов при осушении ЦГБ (без работы ТГГ).

Для придания конструкции необходимой жесткости в полости карманов установлены бракеты 40 с отверстиями для перетекания воды 41.

На конической оболочке 31 приемной камеры установлены четыре форсунки 42, для эжекционного впрыска воды из водяных карманов в приемную камеру. Для использования воды, находящейся в карманах ниже уровня установки форсунок, предусмотрены водозаборные трубки 43, которые герметично соединены с приемными штуцерами форсунок. Для возможности периодического освидетельствования состояния форсунок и регулировки их раскрытия во внешней оболочке устройства продувания установлены четыре горловины 44 со съемными герметизируемыми крышками 45.

Впрыскивающие форсунки 42 закреплены в гнездах приемной камеры 31 резьбовыми штуцерами 46. В корпусе форсунки 47 установлен распылитель 48. Регулировка расхода воды через форсунку обеспечивается установкой определенного по величине зазора "а" между коническими поверхностями корпуса и распылителя. В отрегулированном положении распылитель фиксируется посредством контргайки 49 с шайбой 50. Для подачи и распыливания веды кроме кольцевой щели с зазором "а" в распылителе предусмотрены три боковых отверстия 51 диаметром 3 мм и одно центральное отверстие 52 диаметром 2 мм.

Полость "Б" форсунки, образуемая приемным штуцером 53. сообщена с полостью "В" посредством восьми отверстий 54 диаметром 4 мм.

Устройство продувания устанавливается (фиг. 8) в положении, близком к вертикальному, на строго определенном уровне по высоте ЦГБ, на отстоянии "h" от крыши ЦГБ, которое определяется из соотношения V_O=NV_p², где V_O - объем ЦГБ выше горизонтальной плоскости, проходящей через точку пересечения продольной оси устройства с наружной кромкой защитного экрана, м³; V_p - полный продуваемый объем ЦГБ, м³; N - коэффициент, численная величина которого определена экспериментально, 1/м³.

Систему эксплуатируют следующим образом.

Перед использованием системы по прямому назначению при нахождении ПЛ в подводном положении ЦГБ полностью заполнены водой. Заполнены водой водяные карманы и проточная часть устройства продувания ЦГБ 4, а также газоходный трубопровод 3, и находятся под гидростатическим давлением, соответствующим глубине погружения.

При возникновении аварийной ситуации, обуславливающей необходимость экстренного всплытия ПЛ в надводное положение (пожар, поступление забортной воды внутрь прочного корпуса и др.), оператором с помощью средств управления (СУ) 5 выбираются в зависимости от характера аварии определенные ЦГБ из числа оборудованных ТГГ, и выдается командный сигнал на воспламенение зарядов ТГГ для продувания этих цистерн. При этом с помощью средства контроля забортного давления 6 СУ автоматически производится выбор количества ТГГ для включения в работу в зависимости от глубины погружения, а включение ТГГ в работу (воспламенение зарядов) производится последовательно (для побортно разделенных цистерн - парами) с заданным временным интервалом между включениями ,c. После воспламенения заряда в течение долей секунды происходит повышение давления в камере сгорания до величины, при которой происходит прорыв диафрагмы ТГГ, и диафрагма (или части ее) приобретают значительную кинетическую энергию, с которой поступают в газоходный трубопровод 3 и далее в ловушку диафрагмы 2, где задерживаются и устанавливаются в безопасном положении у основания продольных ребер 26, оказывая в дальнейшем минимальное сопротивление газовому потоку в трубопроводе. На первой же секунде работы ТГГ срабатывает сигнализатор давления 22 и выдает в СУ сигнал о возникновении в камере сгорания давления, свидетельствующего о фактическом воспламенении заряда топлива в ТГГ (в случае отсутствия такого сигнала СУ автоматически подключает вместо отказавшего ТГГ резервный).

После прорыва диафрагмы газообразные продукты сгорания топлива практически мгновенно выбрасывают в ЦГБ воду, которая заполняла трубопровод 3 и проточную часть устройства продувания ЦГБ 4. Затем в течение всего времени работы ТГГ, устройство продувания работает следующим образом (фиг.9).

Продукты сгорания топлива выходят из соплового блока ТГГ остронаправленной струей, имеют, как правило, критическую скорость истечения и температуру 1200-1500^oC. В трубопроводе 3, проходное сечение которого по площади в 4-5 раз больше сечения рабочего сопла ТГГ, происходит снижение температуры газа за счет адиабатического расширения до 1100-1300^oC, снижение и выравнивание по сечению трубопровода скорости газа.

В коническом суживающемся рабочем сопле 30 устройства продувания ЦГБ 4 скорость истечения продуктов сгорания вновь увеличивается до критической (или приближается к ней, что зависит от соотношения давлений в камере сгорания ТГГ и в ЦГБ). Высокоскоростной поток газа, поступая из рабочего сопла 30 в камеру смешения 32, за счет эффекта эжекции создает положительный перепад давления между ЦГБ и приемной камерой 31 устройства, величина которого для одного и того же режима истечения продуктов сгорания определяется главным образом соотношением площадей выходного сечения сопла 30 и камеры смешения 32, а также отстоянием выходного сечения сопла от входного сечения камеры смешения. За счет указанного перепада давления в приемную камеру 31 устройства продувания впрыскивается вода из водяных карманов через кольцевые щели и впрыскивающие отверстия распылителей форсунок. При этом, пока уровень воды в ЦГБ выше вентиляционных отверстий 39 водяных карманов, расход воды из карманов через форсунки компенсируется соответствующим поступлением воды в карманы из ЦГБ через вентиляционные 39 и сливные 38 отверстия карманов. При опускании уровня воды в ЦГБ ниже отверстий 39 поступление воды из ЦГБ в карманы прекращается и начинается опорожнение карманов через форсунки. Часть воды из карманов при этом вытекает в ЦГБ через сливные отверстия 38. Поскольку через отверстия 38 вода вытекает под малым гидравлическим напором (текущая величина его определяется высотой столба воды в карманах над уровнем воды в ЦГБ, а после опускания последнего ниже отверстий 38 - высотой уровня воды в карманах над отверстиями 38) и поскольку отверстия 38 предусматриваются малого диаметра, расход воды через отверстия оказывается пренебрежимо малым по сравнению с расходом через форсунки.

Впрыскиваемая в приемную камеру устройства вода попадает на внешнюю поверхность рабочего сопла 30, которая в результате истечения через сопло высокотемпературных продуктов сгорания с высокими скоростями в течение первых 2-3 с разогревается до высокой температуры. Распыленная вода из форсунок, попадая на поверхность сопла, вскипает, испаряется, образуя водяной пар. Водяной пар и водяная пыль увлекаются из приемной камеры потоком продуктов сгорания в камеру смешения, где вследствие турбулизации потока при его резком торможении происходит интенсивное смешивание продуктов сгорания с водяным паром, испарение капельной влаги, охлаждение продуктов сгорания и перегрев водяного пара.

В расширяющихся диффузорах устройства происходит дальнейшее торможение потока, который затем в виде однородной парогазовой смеси с заданными параметрами выходит в ЦГБ.

Выбором объема водяных карманов и регулировкой раскрытия форсунок обеспечивают добавление в продукты сгорания требуемого количества водяного пара и необходимое снижение температуры рабочего газа до значений, не превышающих 800^oC. Выбором диффузоров и проходного сечения выходного кольцевого раструба обеспечивают необходимое снижение скорости выхода газа в ЦГБ до 10-20 м/с.

За счет конструкции выходного раструба, снабженного коническим рассекателем потока и кольцевым защитным экраном со множеством отверстий, направляют рабочий газ в ЦГБ, в виде конусного факела с раствором 40^o разобщенных осесимметричных струй, и тем самым локализуют зону начального барботажа газа с водой пространством, непосредственно примыкающим к выходному раструбу, снижают силовое давление газа на воду, а также защищают конструкции ЦГБ, расположенные над устройством, от воздействия мощных струй рабочего газа.

В начальный период продувания ЦГБ рабочий газ из устройства продувания ЦГБ 4 (УП) поступает в балластную воду, заполняющую ЦГБ. Пространственно-временные характеристики контактного взаимодействия газа с водой в этот период, температура, скорость и структура газовых струй на выходе в ЦГБ оказывают влияние на количественные характеристики существенных эффектов периода, которыми являются: основные тепловые потери газа к балластной воде; влияние условий охлаждения газа за пределами рабочего сопла (ТГГ) на термохимические реакции продуктов сгорания топлива (ПС) и тем самым на химический состав ПС; массовые потери ПС в результате частичного растворения и конденсации отдельных компонентов газовой смеси; образование в цистерне массы относительно холодного газа, насыщенного капельной влагой, с развитыми поверхностями теплообмена и большой теплоемкостью.

В силу этих эффектов начальный период демпфирует общую термодинамическую напряженность процесса продувания, служит источником добавления в рабочий газ водяного пара, определяющим образом влияет на энергетические характеристики процесса в целом и играет определяющую роль в составе причин, приводящих к разбросам параметров и характеристик процесса для цистерн с существенными геометрическими, масштабными и конструктивными отличиями.

На фиг. 10 представлены типовые зависимости V = f(), кривая 1, и = f(), кривая 2, для продуваемого объема ЦГБ (V,м³) и интенсивности продувания (,м³/с) в течение времени продувания (,c), отражающие все характерные особенности и этапы развития процесса продувания. Контактное взаимодействие сред начального периода имеет место на участке (0-_вз). На участке происходит парообразование из капельной влаги, поступившей в формирующуюся газовую подушку в результате процессов начального периода. В дальнейшем на участке продувание происходит с установившейся и максимальной интенсивностью, что свидетельствует о квазистационарном проявлении процессов тепло- и массообмена в этот период.

Изложенные особенности процесса продувания ЦГБ высокотемпературными продуктами сгорания твердого топлива приводят к необходимости принятия мер по стабилизации физических условий процесса, при которой расчетные зависимости для энергетических характеристик в функции от глубины обеспечивались бы вне зависимости от геометрических, масштабных и конструктивных особенностей ЦГБ ПЛ, к необходимости обеспечения близкого физического подобия процессов продувания в ЦГБ с указанными отличиями.

Поскольку начальный период, являясь определяющим для энергетических характеристик процесса в целом, в свою очередь во всех своих существенных эффектах определяется гидродинамикой взаимодействия ПС с водой, в соответствии с изобретением близкое физическое подобие процессов продувания различных цистерн обеспечивают за счет обеспечения строгого подобия гидродинамических процессов начального периода. Далее степень искажения подобия процессов в целом (неизбежного из-за отсутствия геометрического подобия цистерн), сводят до уровня, практически не влияющего на исследуемые количественные соотношения и характеристики.

Практическое ре