6 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Скорость горения твердого топлива

Скорость горения твердого топлива

Подобрать удачный, хорошо горящий, состав для твердого ракетного топлива это полдела. Необходимо иметь возможность рассчитать давление в работающем на данном топливе моторе, обеспечить необходимую прочность корпуса, и получить характеристики двигателя. Программ расчета твердотопливных моторов достаточно — это хорошо известная SRM Ричарда Накки, моя программа Rocki-motor , и ряд других. Но все эти программы используют так называемый «закон горения» свойственный тому топливу, для которого проводится расчет. Давайте посмотрим, что это такое и как его можно получить.

Давление в камере сгорания определяется зависимостью

P = Kn · ρт · u · C* (1)
где
Kn=Sг/Sкр — отношение площади горения к площади критического сечения сопла,
ρт — плотность топлива,
u — скорость горения топлива.
С* — характеристическая скорость.

При расчете в системе Си давление получается в паскалях Па. Удобно, однако, подставлять в эту формулу скорость горения в мм/с, а плотность в г/см 3 , численно получается тот же результат.

Плотность топлива ρт практически постоянна, характеристическая скорость С* определяется термохимическими процессами в камере, на которые давление влияет слабо, поэтому, не вдаваясь в подробности теории, можно сказать, давление в каждый момент работы мотора зависит от скорости горения u и числа Kn. Если вычисление Kn — чисто геометрическая задача, зависящая от формы заряда и размера критики, то скорость горения конкретного топлива необходимо определять экспериментальным путем. При этом очевидно, что скорость горения есть функция только давления в камере сгорания, т.е. u=f(P). Такая зависимость и называется «законом горения», и для каждого топлива он свой. Зная этот закон, можно проводить расчеты двигателей с разными формами зарядов. Законы горения некоторых топлив показаны на рис.1.

В-принципе, получение точки на графике u=f(P) задача не сложная. В профессиональном ракетостроении делают специальные камеры высокого давления («бомбы постоянного давления» или «бомбы переменного давления»). В них сжигается образец топлива при определенных условиях, замеряются все параметры и по показателям давления и скорости горения строится график закона. Любители обычно делают толстостенный перезаряжаемый тестовый мотор, в котором организуют заряд с постоянной площадью горения, например, торцевой, и отсутствует разгар критики. Это даёт нам постоянство числа Kn, которое вычисляется заранее. Замеряя время работы t и зная длину заряда L, получают скорость горения u=L/t. Давление в таком моторе, очевидно, постоянное и может быть получено либо с помощью манометра подсоединенного к камере сгорания, либо посчитано по формуле (1). Устанавливая сопла с разной площадью критического сечения, т.е. меняя Kn и давление в камере P, на таком моторе можно получить точки закона.

Для расчета давления по формуле (1) нужно иметь значение характеристической скорости С*. Формула для С* не сложная, но навороченная и для её применения нужны значения температуры горения и показателя адиабаты продуктов горения, нахождение которых задачка не для такой статьи. Однако все это делает известная и простая в применении программа Артура Лекстутиса для расчета термохимических процессов топливных составов PROPEP и выдает нам уже готовое значение характеристической скорости, надо только перевести его из фут/с в м/с, поделив на 3,048.

Изготовление тестового перерезаряжаемого мотора хоть и не представляет принципиальных трудностей, но дело ответственное и не всем доступное. При определении закона горения для топлива АНУБИС я применил альтернативный способ. Для нахождения точки закона изготовил одноразовый мотор торцевого горения ТРДК-2. Конечно, чтобы получить достаточно много точек для графика, моторов не наделаешься. Однако тут выручает одно обстоятельство. Дело в том, что многочисленные эксперименты профессионалов привели к заключению, что закон горения практически любого твердого смесевого топлива может быть с достаточной точностью описан степенным законом u = a · P n (2)
где a и n постоянные величины.

Это означает, что формально для получения закона горения нам нужно всего две точки. Действительно, предположим у нас есть два испытания, в которых мы определили давление и скорость горения:
P1, u1
P2, u2
Тогда мы имеем систему двух уравнений с двумя неизвестными a и n u1 = a · P1 n u2 = a · P2 n

Поделив первое уравнение на второе, исключаем коэффициент a
u1/u2 = (P1/P2) n

подставляя n в любое из исходных уравнений, получаем коэффициент a
a = u1 / P1 n

Закон определен. Теоретически, нам вообще достаточно всего одного тестового прожига в моторе, ведь одну из двух точек можно получить, сжигая пробный столбик топлива при атмосферном давлении, см. рис.2. Но на практике все же не надо забывать, что степенная функция является приближением. Ещё надо учитывать, что на скорость горения влияют различные факторы, например, такие, как влажность компонентов, степень их помола, начальная температура топлива и т.д. и т.п.. Выдерживать постоянство данных параметров в любительских условиях проблематично. Поэтому, чтобы иметь приемлемое приближение, нужно экспериментально получить несколько точек желательно в районе рабочего диапазона давлений с последующим подбором наиболее подходящих значений коэффициента и показателя в законе, рис.3.

При вычислении степени n закона фигурируют отношения скоростей горения и давлений, поэтому не имеет значения в каких единицах они посчитаны, лишь бы в однотипных. Однако при расчете коэффициента a надо помнить, что стандартно в законе принято давление брать в мегапаскалях МПа, а скорость горения в миллиметрах мм.

Не всегда удается подобрать степенной закон, удовлетворительно моделирующий поведение топлива во всем рабочем диапазоне давлений. В таких случаях обычно разбивают шкалу на несколько участков и для каждого прописывают свой закон. Так, например, поступил ракетчик Nakka при получении закона горения для сорбитовой и декстрозовой карамели, рис.4.

В заключение хочу сказать, что получение закона горения имеет смысл для хорошо отработанного топлива, с одинаковым составом и однотипной технологией. И говорить о законе нужно не только в соответствии с химическим составом, но и в соответствии с технологией приготовления. На примере сорбитовой карамели, рис.5, показано насколько сильно может влиять способ производства на форму закона. Приведены данные, полученные канадцем Nakka и специалистом из Датского технического университета Gudnason. /29.01.2013 kia-soft/

Горение твердого топлива

Процесс горения любой частицы натурального твердого топлива протекает еще более сложным путем и сопровождается комплексом физико-химических явлений: начинается с подогрева топлива, сопровождающегося испарением влаги и выделением летучих и продолжающегося до момента воспламенения. Далее происходит горение летучих и кокса, зависящее от контакта с окислителем, зольности топлива, температур и других факторов, и заканчивается образованием шлака.

Схематически эти процессы показаны на рис. 2.2, где они искусственно разделены для возможности представления хода каждого процесса.

Горение оксида углерода

Направление подвода воздуха и движения газов

Рис. 2.2. Схема горения твердого топлива: I – подогрев, испарение влаги; II – выделение летучих;
III – горение летучих, образование кокса; IV – горение кокса; V – выгорание кокса;
VI – образование шлака

Все перечисленные процессы чаще протекают одновременно, чем и определяется сложность их исследования. Реакции веществ, находящихся в одинаковом агрегатном состоянии, называются гомогенными; к ним относятся реакции горения газов. Реакции горения жидких и твердых топлив протекают при разном агрегатном состоянии веществ; такие реакции называются гетерогенными.

Гетерогенные реакции сильно зависят от скорости подвода или переноса окислителя к поверхности горящей частицы – от скорости диффузии. Увеличение скорости подвода окислителя к горящей частице приводит к увеличению скорости реакции до определенных пределов. Если процесс сжигания топлива начинается с подогрева, удаления влаги и выделения летучих, то в это время цепные реакции протекают медленно. С повышением температуры число активных центров растет, скорость реакции увеличивается, что приводит к вспышке топлива. Температуру, при которой происходит это явление, называют температурой воспламенения; она зависит от свойств топлива, условий отвода теплоты.

Развитие цепной реакции и повышение температуры ограничиваются присутствием замедлителей – ингибиторов, к которым относят инертные примеси в топочном устройстве – поверхности нагрева, негорящие частицы топлива, холодную обмуровку и другие препятствия движению молекул. Время сгорания топлива зависит от скорости подвода окислителя, который содержится в поступающем воздухе. Время, необходимое для сгорания топлива, складывается из времени протекания химической реакции tх и времени протекания физической стадии процесса tф – времени, необходимого для подвода окислителя к топливу (образование топливно-воздушной смеси), и времени нагрева компонентов горения до температуры воспламенения:

. (2.7)

Если время контактирования больше времени химической реакции, то горение относят к диффузионному, в обратном случае горение относят к кинетическому. Изображая графически изменение скорости горения топлива (рис. 2.3) в зависимости от температуры при постоянной массовой концентрации окислителя, можно показать, что в соответствии с уравнением Аррениуса скорость реакции с ростом Т сильно увеличивается (кривая 1). Область горения, ограниченная осью ординат и кривой 1, называют кинетической; осью абсцисс и кривой 2 – диффузионной областью горения. Между кривыми 1 и 2существует область 3,в которой скорости химических реакций соизмеримы со скоростями диффузии.

Когда время образования топливно-воздушной смеси значительно больше времени, необходимого для осуществления собственно химической реакции горения, tх

188.64.169.166 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Горение твёрдого топлива

Горение твёрдого топлива проходит в две стадии: тепловая подготовка; само горение.

На первой стадии топливо подогревается, просушивается. При 100 С начинается пирогенетическое разложение составляющих топлива с выделением газообразных летучих веществ. (Зона I). Длительность этого процесса зависит от влажности топлива, размера частиц, условий теплообмена между частицами топлива и топочной средой.

Горение топлива начинается с воспламенения летучих (зона II). t в этой зоне 400-600 C. При горении выделяется тепло, к-е обеспечивает ускоренный прогрев и воспламенение коксового остатка.

Этот процесс происходит за десятые доли секунд. Летучие горят от 0,2 до 0,5 секунды. Выделяется Q, когда t 800-1000 – зона III начинается. Горение кокса начинается при температуре 1000 С и происходит в III области. Этот процесс длительный. 1 – T газовой среды вокруг частицы. 2 – T самой частицы . I – зона термической подготовки, II – зона горения летучих в-в, III – горение коксовой частицы.

III – гетерогенный процесс. Ск-ть зависит от ск-ти подвода кислорода. Время горения коксовой частицы от ½ до 2/3 всего времени горения (от 1 до 2,5 с) – зависит от вида и размера топлива. У молодых топлив процесс углефикации не завершен большой выход летучих. Коксовый остаток > 1/αД ) . k > потребления – концентрация на пов-ти почти не меняется. По мере повышения t скорость реакции растёт, а концентрация О2 и С падает. Дальнейшее ↑ t ведёт к увеличению скорости горения и её значение ограничивается недостатком подвода О2 к поверхности, недостаточной диффузией. Концентрация кислорода у поверхности →0 .

Область горения, в которой скорость процесса зависит от диффузионных факторов, называется Диффузионной областью III. Здесь k>>αД (Из *): kГ

αД. Скор-ть диффузион горения огр-ся доставкой О2 к пов-ти и его концентрацией в потоке.

Диффузионная и кинетические области разделяется промежуточной зоной II, где скорость подвода кислорода и скорость химической реакции примерно равны между собой. Чем меньше размеры твёрдого топлива, тем больше площадь тепломассообмена.

В обл-ти II и IIIгорение можно усилить подводом ок-ля. При больших скор-тях ок-ля сопротивление и толщина ламинарного слоя ум-ся и подвод ок-ля усиливается. Чем выше скор-ть, тем интенсивнее перемешивается топливо с О2 и тем при более ↑ t происходит переход из кинетической в пром, затем в диф-ю обл-ть. При уменьшении размеров частиц увеличивается область кинетического горения, т. к. частицы малых размеров имеют более развитый тепломассообмен с окружающей средой.

D – размер частиц пылевидного топлива, v – ск-ть перемешивания топлива с воздухом – ск-ть подачи ок-ля

Воспламенение любого топлива нач-ся при относительно низких t при дост кол-ве ок-ля (I). Чисто диф горение III – огранич ядром факела. Увеличение температуры ведёт к смещению в область диффузионного горения. Зона диффузионного горения находится от ядра факела и до зоны догорания, где концентрация реагирующих веществ мала и их взаимодействие определяется законами диффузии.

Таким образом, если горение протекает в диффузионной или промежуточной области, то при уменьшении размера частиц пылевидного топлива, процесс смещается в сторону кинетического горения. Область чисто диффузионного горения ограничена. Это наблюдается в ядре факела с максимальной температурой горения. За пределами ядра горение происходит в кинетической или промежуточной области, которая характеризуется сильной зависимостью скорости горения от температуры.

Кинетическая и промежуточные области горения протекают и в зоне воспламенения пыле-воздушного потока, а сжигание топлив всех видов с предварительным смесеобразованием протекает в диффузионной или промежуточной области.

Справочник химика 21

Химия и химическая технология

Ракетное топливо скорость горения

В ракетной технике используются топлива, скорость горения которых подсчитывается по уравнениям 4.3 или 4.4 [16, 61]. [c.169]

Первые ракетные двигатели работали на твердом топливе — прессованном порохе. Вследствие большой скорости горения пороха и сравнительно небольшого запаса его, ограничиваемого размерами камеры сгорания, время работы порохового ракетного двигателя очень мало (0,1—25 сек), а сила тяги, развиваемая двигателем, трудно регулируется. [c.115]

Скорость горения ракетного топлива. Подобно артиллерийскому пороху, ракетное топливо в зависимости от состава может быть очень взрывоопасно. Но при обычном употреблении оно должно спокойно гореть с заданной, относительно небольшой скоростью, которая зависит не только от состава топлива, по и от его температуры, давления в камере сгорания и распределения фазы окислителя (по размерам частиц) в смесевом топливе. [c.141]

Смесевые составы на основе перхлората калия обычно имеют относительно высокую скорость горения и высокую температуру пламени, но образуют густой дым составы на основе перхлората аммония характеризуются меньшими скоростью горения и температурой пламени, но весьма мало дымят. По сравнению с составами, содержащими в качестве окислителя МН МОз, аммоний-перхло-ратные составы заметно дымят в более широком интервале температур и влажности и коррозионное действие продуктов сгорания МН4С104 выражено значительно сильнее. Зато по теплоте сгорания и плотности перхлорат аммония превосходит МН,МОд. Характеристики перхлората и нитрата аммония как окислителей твердого ракетного топлива приведены в табл. 30. [c.146]

Ракетный двигатель на твердом топливе является простейшей формой теплового двигателя. Ракетное топливо—источник химической энергии, содержащий горючее и окислитель,—загружается в камеру сгорания перед каждым пуском двигателя. При сгорании топлива развивается значительное давление, и продукты сгорания выбрасываются через сопло, в конце которого они приобретают сверхзвуковую скорость. При этом в реактивном двигателе создается тяга, или движущая сила, достаточная для полета ракеты. Так как ракетный двигатель является реактивным, его энергия измеряется импульсом (произведением тяги на время). При горении топлива в ракетном двигателе он получает импульс, действующий в направлении, противоположном потоку истекающего из камеры газа. Этот импульс, отнесенный к единице массы сгорающего топлива, называется удельным импульсом [c.140]

Пороховой ракетный двигатель работает от заряда воспламеняющегося материала. Мощность двигателя зависит от скорости генерации продуктов сгорания ракетного пороха, температуры продуктов горения, размеров камеры ракетного двигателя и т. д. Одним из факторов, определяющих скорость генерации газа, а следовательно, и характеристику ракетного двигателя, является температура пороха перед сгоранием. Температура же пороха зависит от поглощения энергии излучения нагретых газов, окружающих ракетное топливо [1, 2]. [c.457]

Двухкомпонентные топлива мягче, имеют меньший срок годности при хранении и в большей степени подвержены выщелачиванию в морской воде, чем однокомпоиентные. Двухкомпонентные топлива, частицы которых имеют форму шариков или хлопьев с большим отношением площади поверхности к объему, используются в патронах для. пистолетов, ружей и винтовок. Эти сорта в большей степени склонны к разрушению в морской воде, чем зернистые топлива с меньшнм отношением площади поверхности к объему, применяемые в боеприпасах более крупного калибра. Двухкомпонентные топлива используются также в минных метательных зарядах и во многих ракетных двигателях. Топливо для мин имеет вид пластинок или выдавленных гранул с относительно высоким отношением площади поверхности к объему и высокой скоростью горения. Свойства двухкомпонентных топлив приведены в табл. 166. [c.492]

Зависимость между скоростью горения топлива, давлением и температурой является важной характеристикой любого ракетного топлива и должна быть учтена при конструировании двигателей и тщательно воспроизводиться в случае последовательных загрузок топлива в камеру сгорания. Для большинства ракетных топлив при давлении в несколько десятков атмосфер эта зависимость может быть выражена эмпирическим уравнением [c.142]

Вопросы, которые рассматриваются в этой главе, являются более новыми и более тесно связанными с приложениями, чем вопросы, которые обсуждались ранее. Исследования горения твердых ракетных топлив и неустойчивости горения стимулировались в основном трудностями, которые встретились при разработке ракетных двигателей твердого и жидкого топлива. Расчет зависимости скорости горения твердого топлива от давления, температуры и т. п., предсказание условий, в которых возникает вибрационное горение в ракетных двигателях твердого и жидкого топлива и оценка влияния колебаний на скорость и механизм горения остаются важнейшими проблемами, которые не решены полностью и до сих пор. [c.270]

В рассмотренной здесь модели горения твердого топлива учтена возможность радиационных тепловых потерь с поверхности конденсированной фазы, приняты во внимание гомогенные реакции в газовой фазе и газификация на поверхности, которая может протекать либо значительно интенсивнее, чем обратный процесс (незатрудненная газификация), либо быть равновесной, либо иметь промежуточный характер. Розен первым исследовал модель такого типа. Он определил скорости горения твердых ракетных топлив, у которых процесс газификации определяет скорость горения (имеет силу формула (б)), а тепловые потери отсутствуют. Джонсон и Нахбар получили весьма точные значения для величины т, использовав аналогичные предположения относительно процесса газификации, но приняв во внимание излучение с поверхности. При помощи приближенного графического метода Сполдинг [ 1 выявил много качественных особенностей поведения величины т в случае незатрудненной газификации, определяющей скорость горения [формула (6)], и при равновесных условиях на поверхности [формула (12)] как с учетом, так и без учета радиационных тепловых потерь. Об исследованиях, выполненных в предположении о промежуточном характере процесса на поверхности [формула (И)] в литературе не сообщалось. [c.284]

Жидкие металлооргаиические катализаторы были предложены в 1967 г. [21, 28]. Они вводятся в твердое ракетное топливо в количестве от 1 до 9%. Помимо того, катализаторы улучшают закон горения топлива, при этой скорость горения меньше зависит от температуры и давления. [c.64]

Гл. 18 и 19 интересны исследователям, разрабатывающим ракетные двигатели на твердом и жидком топливе. В первой из них рассматривается поглощение пороховых газов с учетом влияния излучения на скорость горения топлива. Во второй же проводится оценка радиационно-теплового переноса и температурных изменений в жидкостном ракетном двигателе. [c.10]

Данный процесс характерен скорее для производства ракетного топлива вообш,е, чем для топлива на основе перхлоратов. Однако не следует пренебрегать некоторыми соображениями о мерах безопасности во время работы. Хотя смесевое топливо можно отнести к взрычатым веществам, главную опасность представляет огонь. Применимость ракетного топлива определяется быстротой его горения и высокой температурой пламени, что следует постоянно учитывать при обращении с топливом. Скорость [c.149]

Поскольку в смесевых ракетных топливах горючее и окислитель первоначально разделены, естественно предположить, что они реагируют в диффузионном пламени (см. главу 3). Саммерфилд >2 ] впервые рассмотрел модель горения, в которой полная скорость горения зависела [c.287]

Саммерфилдом [18>2в] была предложена более сложная модель горения смесевого твердого ракетного топлива, в которой предполагалось, что гранулы горючего над конденсированным веществом расширяются, рассасываются вследствие диффузии и на некоторой высоте над поверхностью конденсированной фазы реагируют в процессе гомогенной бимолекулярной реакции. В этой модели была получена формула для скорости горения [c.288]

Ракетные топлива должны обеспечивать выделение заданного количества энергии с желаемой скоростью при вполне определенных условиях. В соответствии с этим требованием и следует выбирать характеристики топлива. Основным направлением в разработке перспективных ракетных топлив является поиск веществ с высоким удельным импульсом, но во многих случаях вследствие существования других технических требований приходится принимать компромиссные решения. Например, в газогенераторе желательно иметь низкую скорость горения и относительно низкую температуру продуктов сгорания ТРТ. Для некоторых ракет малого радиуса действия, например реактивного противотанкового гранатомета типа Базука , требуется высокая скорость горения. Для стратегических ракет высокой боеготовности обеспечение компактности двигателя и безопасности зарядов при транспортировке и хранении более важно, чем достижение максимального удельного импульса. К тактическим ракетам выдвигается требование минимального дымообразова-ния. Твердые ракетные топлива удобно характеризовать некоторой совокупностью свойств, которые можно разделить на следующие группы энергетические свойства, баллистические, механические и общие. [c.27]

На основе и зучения процесса горения можно сделать вывод, что на скО рость горения оказывают влияние размеры частиц окислителя и иобые добавки, ускоряющие пиролиз компонентов топлива, т е его состав Оба эти фак тора учитываются при создании и усовершенствовании в производстве специааь ных ракетных топлив В общем, чем меньше частицы окислителя тем быстрее происходит горение Поэтому иногда можно приготовить ряд составов с различными скоростями горения простым изменением размеров частиц окислителя Это позволяет также компенсировать влияние небольших случайных изменений качества последовательных партий компонентов без нар>шения химического состава и таким обррзом повлиять на другие свойства например удельный импульс, изменения которых могут быть еще менее допустимы чем колебания скорости горения [c.144]

Мэйк получил патент на добавление 1—4 вес. о катализатора, состоящего из смеси окиси хрома (III) и окислов других металлов (ZnO, F gO,, SnO,, TiQ,, A1,0, или uO). Такие добавки, по-видимому, должны увеличить скорость горения топлива на основе перхлората аммония для приближения его по свойствам к другим типам быстрогорящего бездымного ракетного пороха, например на основе нитрата целлюлозы, без увеличения чувствительности к удару. [c.148]

Скорость горения различных партий ракетного топлива регулируют, добиваясь приготовления окислителя с постоянным гранулометрическим составом. Вследствие неточности измерения размеров частиц, особенно частиц, не задерживаемых ситом, преобладает эмпирическое регулирование, зависящее от степени однородности исходного материала, постоянства скорости подачи его на мельницу, точности регулирования скорости помола и установки критического зазора между мелющими поверхностями. Величина частиц окислителя может быть проверена с помощью ситового анализа при размере частиц более 44 мк и путем седимен-тацнонного анализа (например, по микромерографу Шарплеса) при размере частиц менее 100 мк однако окончательно о степени приготовления окислителя судят по скорости горения топлива. [c.148]

При проектировании ракетных двигателей на твердом топливе широко используется эмпирическое соотношение, связывающее скорость горения с давлением и=аР . Как известно, при устойчивом горении топлива в усло Виях ракетното двигателя показатель степени v и до сих пор. Теоретическое рассмотрение, как правило, касается упрощенных моделей горения. Основой для такого рассмотрения служат классические работы Зельдовича, Семенова, Франк-Каменецкого но развитию тепловой теории горения газов [38—41]. [c.78]

Смотреть страницы где упоминается термин Ракетное топливо скорость горения: [c.276] [c.279] [c.299] [c.302] [c.239] [c.72] [c.143] [c.162] [c.162] [c.168] [c.289] Перхлораты свойства, производство и применение (1963) — [ c.0 ]

Перхлораты Свойства, производство и применение (1963) — [ c.0 ]

Повышение эффективности контроля надежности (2003) — [ c.0 ]

СКОРОСТЬ ГОРЕНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

Линейная скорость горения твердого топлива — скорость перемеще­ния поверхности горения в глубь заряда — зависит от состава и техноло­гии изготовления заряда, температуры заряда Т3, давления в камере р, скорости газового потока вдоль горящей поверхности v, растяжения топ­лива , ускорения а = ng, направленного к горящей поверхности, а также от других факторов:

и = u (T3 )f(p)fi (v) f 2 ( )f 3 (a).

Функции, входящие в эту зависимость, предполагаются независимы­ми и определяются экспериментально.

1. Зависимость скорости горения от температуры выражается в од­ной из следующих форм:

а) ;

б) ;

в) .

Константа D 1/В= (1. 5) • 10 3 1/°С, причем большие значения относятся к баллиститным, а меньшие — к смесевым твердым топливам; принято TN = =20°С.

2. Зависимость скорости горения от давления обычно выражается в
одной из следующих форм:

а) u=u ;

в) u= или u=

Во внутренней баллистике РДТТ используется, как правило, степенная зависимость и = uxp v , где v=0,2. 0,8, причем большие v относятся к баллиститным, а меньшие — к смесевым твердым топливам. Для неко­торых топлив в ограниченном диапазоне давления v = 0, могут быть также участки, где v

4.Зависимость скорости горения от деформации растяжения имеет
вид f2 ( ) = 1 + b ; значение b — порядка единицы.

5.Скорость горения твердого топлива увеличивается с ростом уско­
рения ng, действующего перпендикулярно к горящей поверхности; так,

для пороха Н имеем (по данным Б. И. Гончаренко), что f3 (n) =

равна 1; 1,2; 1,4; 1,5 и 1,6 при п =0,7 • 10 3 ; 1 • 10 3 ; 4 • 10 3 ; 8 • 10 3 и 18 • 10 3 соответственно.

Для металлизированных смесевых твердых топлив, в которых мас­совая доля алюминия равна zA1, взаимосвязь между f3 = и п имеет вид (ФГВ, 1978, №6):

,

где давление измеряется в 10 Па, скорость горения — в мм/с.

При очень больших ускорениях (на участке насыщения) для раз­личных топлив f3 ( ) = 1,5 . 2,5 .

Увеличение и под действием ускорения зависит от размера частиц алюминия, содержащегося в смесевом твердом топливе. При отклоне­нии вектора ускорения от нормали к поверхности влияние п на и сначала уменьшается приблизительно как косинус угла наклона, а при углах 0. 70 0 ускорение не влияет на скорость горения.

Скорость горения безметалльного состава из очищенных компонентов не меняется при увеличении перегрузок до 10 3 g .

6.Скорость горения в условиях быстроменяющегося давления отличается от стационарного значения, и это изменение может быть приближенно описано, например, зависимостью

,

где = 0,5…2; а — коэффициент температуропроводности топлива.

Возможно прерывание горения топлива при достаточно быстром спаде давления:

— для баллиститных топлив;

u/d — для смесевых (d — диаметр зерна окислителя).

На скорость горения различных частей заряда твердого топлива оказывают также влияние особенности конструкции, технологии изготовления и режимов эксплуатации (хранения) РДТТ.

Устойчивое горение твердого топлива определяется следующими источниками тепла:

1) суммарно-экзотермическими реакциями, протекающими в тонком поверхностном слое топлива;

2) суммарно-экзотермическими процессами, протекающими в дымогазовой смеси.

Нагрев топлива до температуры, необходимой для устойчивого горения, осуществляется в основном первым источником тепловой энергии; при этом большая часть топлива в поверхностном слое диспергируется.

При квазистационарном горении твердого топлива со скоростью и в прогретом слое устанавливается распределение температуры, приближенно описываемое экспоненциальной зависимостью (рис. 2.1)

Т(х) Т3 + (Ts)ехр(-xu/а),

где Ts, T3 температура поверхности горящего топлива и начальная | температура заряда.

Для баллиститных топлив существует однозначная зависимость температуры поверхности Ts от скорости горения и. Для топлива HT равна 600, 650, 690 и 720 К при и =0,25; 0,5; 0,75 и 1 см/с соответственно.

Всего в прогретом слое аккумулировано количество теплоты

.

Основной запас этой теплоты заключен в слое толщиной = а/и, время прогрева которого порядка t4 = -а/и г (время тепловой релаксации для баллиститного топлива составляет 60 и 4 мс при давлении 0,4 и 6,0 МПа соответственно). На основании этого можно приближенно по­лагать, что для воспламенения заряда и устойчивого развития реакции разложения, твердого топлива необходимо поверхностному слою пере­дать определенное количество теплоты и нагреть поверх­ность топлива до температуры, близкой к значению , за определенное время, равное примерно а/и 2 . При этом давление в РДТТ должно быть больше величины, необходимой для устойчивого горения.

Рис. 2.1 Схема горения баллиститного топлива:

Т3 начальная температура заряда; — температура на поверхности раздела твердой и газовой фаз; 1 — исходное состояние топлива; 2 — зона прогрева и первичного разло­жения компонентов; 3 — жидковязкий слой; 4 — зона газификации; 5 — зона подготовки горючей смеси; 6 — зона горения; 7 — продукты
сгорания.

Возрастание скорости горения с ростом давления и температуры за­ряда обусловлено тем, что при этих условиях ускоряется прогрев поверхностного слоя. Рост скорости горения при v > vn обусловлен уве­личением эффективных коэффициентов теплопроводности и диффузии в развитом турбулентном потоке. Под действием перегрузок агломера­ты, образующиеся при горении, прижимаются к поверхности и, будучи по размерам сравнимы с толщиной прогретого слоя, увеличивают ло­кально теплопередачу к топливу и ведут фронт горения. При растяжении твердого топлива появляются микротрещины, доступные для горения, и линейная скорость перемещения горящей поверхности увеличивается.

Конкретные параметры зависимости скорости горения каждого заряда (или каждой партии зарядов) твердого топлива от давления и температуры (например, и = и (T3)p v ) определяются с помощью сжига­ния цилиндрического образца, забронированного по боковой поверхнос­ти, в приборе постоянного давления (рис. 2.2). Погрешность определе­ния и = e/t в этом приборе складывается из погрешностей измерения не­скольких параметров:

.

Рис. 2.2. Прибор постоянного дав­ления для измерения скорости горе­ния твердого топлива:

1 — выпускной клапан; 2 — впуск­ной клапан; 3 — редуктор в трубо­проводе от баллонной батареи; 4 -электрическая спираль воспламене­ния образца твердого топлива; 5 -забронированный по боковой по­верхности образец; б — бомба по­стоянного давления; 7 — проволоч­ки, перегорающие при прохождении фронта горения.

Излучение и течение газов в приборе постоянного давления отличаются от излучения и потока продуктов сгорания в двигателе. Поэтому измеренное в приборе постоянного давле­ния значение скорости горения корректируется с помощью эмпирического коэффициента ки=1. 1,1 для условий горения в двигателе (при v vn, определяется на специальных установках (например, на установке с ГГ, аналогичным представленному на рис. 5.42, где вместо образцов теплозащитных покрытий размещаются образцы твердого топ­лива) или с помощью сжигания зарядов в модельных РДТТ.

В приборе постоянного давления проводится также сжигание растя­нутых образцов с целью получения значения . Зависимость скорости горения от ускорения устанавливается при испытании модельных РДТТ, закрепленных на коромысле центробежного испытательного стенда или при испытании вращающихся вокруг оси РДТТ.

Добавка металлических порошков в твердые топлива не оказывает существенного влияния на скорость горения (при отсутствии больших ускорений, направленных к поверхности горения), так как воспламе­нение и горение металлов происходит в потоке газа. Отличительная осо­бенность горения смесевых металлизированных твердых топливсостоит в том, что оно представляет собой сложную последовательность превра­щенийисходных частиц металла (алюминия) — агломерацию (укрупне­ние) на реагирующей поверхности топлива, их воспламенение, вынос в газовую фазу, горение и движение в ней. Зерна окислителя (перхлората аммония) на порядок и больше превышают по размерам исходные час­тицы алюминия, содержащиеся в горючем — связующем, заполняющем «карманы» между зернами. Интенсивность выгорания максимальна в области границ с последними. Поэтому при прохождении волны горения происходит слияние частиц металла, скопившихся в данном кармане, и эти агрегаты на один — два порядка крупнее исходных частиц. При неко­торых условиях могут происходить также и слияние агрегатов из сосед­них «карманов», и образование нескольких агрегатов в пределах одно­го «кармана». От последующего движения и горения агрегатов алюми­ния, коагуляции и распада капель А1/А12О3 зависят потери удельного импульса, воздействие многофазного потока продуктов сгорания на тепловую защиту РДТТ и шлакообразование. В результате анализа экс­периментальных данных по размерам частиц окиси алюминия в продук­тах сгорания получена следующая формула:

,

где d измеряется вм; t — в с; р — в МПа; d — в мкм; t = L/v; L —длина двигателя.

Дата добавления: 2016-06-29 ; просмотров: 2769 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Горение твердых топлив;

Горение твердых топлив есть последовательность процессов в соответствии со схемой рис. 4.3. После прогрева поверхностного слоя баллиститного топлива устройством запуска ДУ происходит газификация топлива, а в зоне горения экзотермические реакции приводят к формированию пламени с определенной для каждого топлива температурой. Принято, что механизм горения смесевых топлив индетичен рассмотренному, особенности проявляется в сложной последовательности превращения исходных частиц металла (А1): агломерация (укрупнение) на поверхности, воспламенение, вынос в газовую фазу, горение и движение в ней. Зерна окислителя на порядок больше частиц металла в горючем-связующем, заполняющем карманы между зернами. При прохождении фронта горения происходит слияние частиц, накопившихся в кармане, возникают агрегаты частиц, по размерам на порядок крупней исходных. Горение и движение этих агрегатов происходит с коагуляцией и распадом, состав продуктов сгорания может отличаться от рассчитанного по моделям равновесной термодинамики.

Механизм горения ТТ определяется условием теплообмена между потоком продуктов сгорания и поверхностью заряда, а также тепловыми эффектами в прогретом слое. Экспериментально установлено, что горит равномерно параллельно начальной поверхности заряда при условии однородности состава, а линейная скорость горения (скорость перемещения поверхности горения) зависит от давления, начальной температуры заряда ; скорости потока продуктов сгорания ; деформации заряда и перегрузки , действующей на ДУ:

Зависимости скорости горения от давления по обработке экспериментальных данных имеют вид:

Обычно во внутренней баллистике РДТТ используют степенную зависимость , величины и определяют экспериментально в приборе постоянного давления и корректируют по данным стендовой отработки ДУ. Для смесевых и двухосновных топлив , а для баллиститных .

Снижение давления уменьшает скорость горения и при пороговом значении процесс становится неустойчивым или совсем прекращается. Для баллиститных топлив МПа, а для смесевых и двухосновных модифицированных МПа. Это объясняется тем, что при низких значениях давления скорость в экзотермических реакций в зоне горения уменьшается и времени пребывания элементарного объёма газа в корпусе ДУ недостаточно для завершения реакций – процесс горения прекращается. У смесевых топлив температура продуктов сгорания выше, скорости реакций больше и теплоты в поверхностном слое накоплено больше, поэтому смесевые топлива имеют существенно меньшее значение .

Неустойчивость горения может проявляться при и это связана с глубиной спада давления . Неустойчивое горение при снижении давления наступит, если время снижения этого давления меньше времени тепловой релаксации прогретого слоя топлива. За время релаксации принимают время сгорания слоя толщиной .

Время спада давления и условие неустойчивости горения примет вид .

Это явление в горении твердых топлив используется для прекращения горения заряда РДТТ, т.е. прекращения работы ДУ, Экспериментально установлено значение критического значения , гарантирующего надежное гашение заряда. Для смесевых топлив

Теперь рассмотрим другие факторы, влияющие на скорость горения. Зависимость скорости горения от температуры заряда в диапазоне 243…343К

где — скорость горения при номинальной температуре К. Смесевые и модифицированные топлива имеют значения 1/К, а баллиститные — 1/6К.

Скорость горения зависит от скорости потока продуктов сгорания вдоль горящей поверхности, начиная с некоторого порогового значения. Исторически этот эффект называют эрозионным горением, хотя никакой эрозии топлива (исчезновения массы заряда дискретными частицами) не существует, просто увеличивается тепловой поток в поверхность топлива, а вследствие проводимости теплоты в заряде увеличивается толщина прогретого слоя и скорость горения увеличивается. Применяют эмпирические зависимости вида

где значения пороговой скорости и коэффициента устанавливается экспериментально. В практике двигателестроения этого явления стараются избежать и проектируют заряд такой формы, которая исключает обтекание горящей поверхности топлива с большими значениями скорости потока.

Зависимость скорости горения от деформации при растяжении заряда имеет вид

где величина коэффициента b близка к 1. Возникающие деформации приводят к образованию микротрещин в поверхностном слое заряда и скорость горения топлива увеличивается.

Скорость горения топлива увеличивается с ростом значения перегрузки , действующей на ДУ. В смесевых топливах агломераты алюминия прижимаются к поверхности и увеличивают толщину прогретого слоя топлива, в баллиститных топливах происходит интенсификация теплообмена от газовой фазы к поверхности топлива. Незначительное увеличение скорости горения происходит при больших значениях перегрузки ( ) и при создании РДТТ УБР это явление можно не учитывать.

Абсолютное значение скорости горения ТТ – очень важный показатель для УБР с РДТТ — он определяет возможные пределы времени работы маршевых ДУ и их геометрические размеры (коэффициент заполнения корпуса топливом). Значения скорости горения большинства ТТ в зависимости от состава и структуры в стандартных условиях (исторически сложилось в практике двигателестроения, что стандартными условиями для оценки ТТ в некотором условном двигателе считают МПа, МПа, К) находится в диапазоне 5. 25 мм/с.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector