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 ;
б) u=a+bp;
в) u= или u=
Во внутренней баллистике РДТТ используется, как правило, степенная зависимость и = uxpv, 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 < 0.
3. Скорость горения зависит от скорости газового потока вдоль
горящей поверхности начиная с "порогового" значения скорости потока
vn или другого определяющего параметра. Формы зависимости различны,
а именно:
a) f (v)=l+kv(v-v ) при v v ,
(для топлива JPN имеем v =180...200 м/с; к =0,0022 с/м) или f =1 + k ( п) при п; где для некоторых баллиститных топлив имеем
; (и измеряется в см/с, p – в 10 МПа);
б) f (v)=l+kv при v v ,
где для баллиститного топлива Н имеем
; v 140…200м/с;
в) при ,
например, П 0,4; к 0,8;
г) при ,
где для баллиститных топлив имеем (S/F) 100; k0,003...0,004; S - площадь горящей поверхности в сечении с координатой x:
1 при
д) 0,0125 при
при
где для баллиститного топлива Н имеем (ФГВ, 1971, №l) =0,04;
J =1,6; Jп=5,6.
Коэффициенты kv, k , к , к и k не являются физическими константами топлива, но в ограниченных пределах конкретного внутрибаллистического расчета принимаются постоянными. Топлива с низкими скоростями горения более подвержены эрозионному горению, чем топлива с высокими скоростями. Вблизи vn при v < vn наблюдается уменьшение скорости горения (отрицательная эрозия, см. п.2.3.2).
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 • 103; 1 • 103; 4 • 103; 8 • 103 и 18 • 103 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...700 ускорение не влияет на скорость горения.
Скорость горения безметалльного состава из очищенных компонентов не меняется при увеличении перегрузок до 103g.
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/иг (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 и нагреть поверхность топлива до температуры, близкой к значению , за определенное время, равное примерно а/и2. 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)pv) 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). Коэффициент kv, характеризующий влияние скорости газового потока на скорость горения 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: 4498;