КиПРДТТ_02. Воспламенение 1 Теория воспламенения
 Скачать 246.9 Kb.
|
|
Воспламенение [1] Теория воспламенения Согласно тепловой модели, воспламенение сопровождается экзотермическими реакциями в конденсированной фазе в условиях нестационарного прогрева поверхности. Условием воспламенения является достижение на поверхности ТРТ критической температуры, обеспечивающей протекание реакции в конденсированной фазе. Известно, что для смесевого топлива горючее имеет более высокую скорость термического разложения, чем окислитель. Поэтому в результате нагрева поверхности ТРТ горючее вступает в реакцию с окислителем окружающей среды, тем самым, поддерживая экзотермические реакции. Условием устойчивого воспламенения смесевого топлива является нагрев поверхности топлива до температуры пиролиза горючего или окислителя. Т. е. достижение критической температуры ТРТ, при которой протекают самоподдерживающиеся экзотермические реакции в конденсированной или газовой фазе. Процесс воспламенения В процессе воспламенения ТРТ можно выделить две стадии: локальное воспламенение и последующее распространение пламени по поверхности заряда. При исследовании возникает необходимость определить, каким образом участок топлива переходит из начального «холодного» состояния к стационарному горению. Воспламенение наступает вследствие притока в твердую фазу энергии от внешнего термического источника, который реализует 3 вида теплообмена: 1) радиационный – лазер, электродуговая (СВЧ) печь; 2) кондуктивный – металлические проволочки; 3) конвективный – пирогенный воспламенитель. Вначале по одному или нескольким упомянутым механизмам к топливу необходимо подвести энергию (см. рис.). После некоторого периода прогрева часть твердой фазы начинает разлагаться, причем процессы разложения протекают в основном вблизи поверхности ТРТ. Рисунок – Физические процессы при воспламенении ТРТ На поверхности ТРТ, происходит газификация слоя ТРТ или прямая сублимация твердой фазы вследствие целого ряда процессов: 1) теплопроводность; 2) поглощение излучения топливной массой; 3) химические реакции под поверхностью; 4) пиролиз. Химические реакции (экзотермические и эндотермические) могут протекать в газовой фазе (гомогенная), на поверхности (гетерогенная) либо под ней. Для надежного воспламенения ТРТ тепло, выделяемое в химических реакциях, должно превышать тепловые потери. При этом происходит повышение температуры твердой и газовой фаз и, кроме того, часто наблюдается свечение. Наконец, устанавливается стационарный режим, который характеризуется высокими значениями скоростей химических реакций и тепловыделения. Время, прошедшее от момента подведения энергии к ТРТ до появления пламени, называют задержкой воспламенения, оно складывается из трех характерных времен: 1) времени инертного прогрева ТРТ; 2) времени смешения; 3) времени реакции. В зависимости от топлива и условий воспламенения каждое из указанных характерных времен может составлять большую часть времени задержки воспламенения. Влияние катализаторов Что касается твердых топлив, то скорость их горения возрастает при добавлении в рецептуру Fe2O3, (C6H6)2Fe, Cu3Cr2 и других соединений переходных металлов [2]. При горении ТРТ на основе ПХА металлические катализаторы, такие, как CuO, Cr2O3, Fe2O3, MnO2, KMnO4, повышают порог горения ПХА по давлению (>30 МПа). Каталитическое действие солей металлов на связующее, как правило, сводится к ускорению окисления НС. Катализаторы оказывают влияние на реакции в газовой фазе, подповерхностные реакции и на реакции на поверхности как по отдельности, так и одновременно. Известно, что эффективность катализатора меняется в зависимости от его типа, концентрации, размера его частиц и давления u = f(g, d, p). Физическая модель воспламенения В зависимости от химического состава топлива и воспламенителя процесс делят на очаговое и фронтальное воспламенение. Первым предусматривают подвод тепла к поверхности ТРТ тепловым потоком, второе – передачу тепла от конденсированных частиц (шлаков) выпавших на поверхность. Процесс воспламенения является сложным нестационарным многостадийным процессом, и деление его на стадии (периоды) в определенной степени условно. 1) После зажигания заряда воспламенителя ПС истекают в свободный объем, вытесняя холодный воздух из канала. Распространения фронта горячих газов сопровождается возникновением волн давления, которые, отражаясь от заднего днища, и взаимодействуют друг с другом. В первый период происходит повышение давления и нагрев поверхности топлива ПС заряда воспламенителя. Передача тепла к поверхности основного заряда от ПС возможна посредством излучения, конвекции и теплопередачи (от горячих частиц). За время этого периода некоторые участки поверхности заряда достигают критических условий воспламенения. 2) Во второй период воспламенения происходит распространение пламени по всей поверхности топлива. Часть ПС основного заряда твердого топлива смешивается с ПС воспламенителя и, омывая поверхность, вызывает усилие прогрева поверхности заряда. Применение пиротехнических смесей, содержащих значительно количество конденсированных частиц, приводит к образованию горячих очагов. Распространение по поверхности пламени происходит, в том числе и путем смыкания локальных очагов в один глобальный. 3) Завершающей стадией воспламенения является нарастание давления в КС и выход двигателя на стационарный режим работы. В этот период происходит догорание остатков воспламенительной смеси и выравнивание газоприхода со всей поверхности горения. Для моделирования процессов горения в РДТТ используется специальная «плоская камера», снабженная прозрачными окнами для скоростной киносъемки (см. рис.). Рисунок – Модельный РДТТ для изучения переходных процессов при запуске: 1 – промежуточная КС воспламенителя; 2 – сопло воспламенителя; 3 – отверстия под датчики; 4 – пластины ТРТ; 5 – сопло двигателя [3] Заряд ТРТ представляет собой два параллельных блока топлива в форме пластин (ширина – 25,4 мм, толщина – 6,35 мм, длина – 495 мм). Воспламенение производится с помощью пиротехнического устройства, а отработанные газы истекают через сменное сопло. Входной и выходной участки, а также боковые стенки камеры, не занятые топливом, покрыты тонким слоем термоизоляции на основе ПБАН. После срабатывания электрической свечи воспламенителя топливо зажигается и в канале камеры развивается течение продуктов сгорания. При низком давлении (0,1-0,3 МПа) в камере устанавливается дозвуковой поток, а в сопле может достигаться или не достигаться скорость звука. Первой стадией переходного процесса является «задержка воспламенения», которая заканчивается появлением пламени на некотором участке поверхности ТРТ. Принятый в модели критерий воспламенения заключается в том, что топливо воспламеняется при достижении некоторой критической температуры В T На второй стадии начинается распространение фронта пламени вдоль заряда, по мере движения фронт пламени ускоряется, и газообразование быстро увеличивается. Как правило, на этой стадии процесса запуска устанавливается критический режим истечения, и давление в камере быстро возрастает. Последняя стадия – период заполнения камеры ПС, в течение которого может возникать эрозионное горение, способствующее появлению пиков давления. Эрозионное горение может продолжаться некоторое время и прекращается лишь тогда, когда достаточно возрастет свободное сечение канала камеры. В дальнейшем наступает квазистационарный режим работы двигателя. Воспламенение ТРТ Исследуется переходный режим при запуске таких двигателей (см. рис.), в которых за относительно короткий воспламенительный период образуется [4]: 1) высокоскоростной поток ПС; 2) высокий продольный градиент температуры; 3) высокий продольный градиент и давления; 4) появляются пики давления. Перечисленные особенности свойственны современным высокоэффективным РДТТ, имеющим: 1) высокий коэффициент объемного заполнения корпуса топливом; 2) низкое отношение площади сечения канала к площади критики 2 F F К ; 3) значительное удлинение заряда D L В расчетно-теоретической модели рассматриваются: 1) изменения поля течения и давления во времени и вдоль оси камеры сгорания; 2) конвективный теплообмен между потоком ПС и ТРТ; 3) распространение фронта пламени вдоль заряда; 4) эрозионное горение. Рисунок – Диаграмма давление-время для запуска РДТТ —— малое значение 2 F F К ; – – – большое значение 2 F F К Основные составляющие периода запуска РДТТ: I – период индукции; II – распространение пламени; IIIа – заполнение КС; III – эрозионное горение; IV – стационарное горение Основные факторы, влияющие на воспламенение [8] Важнейшей характеристикой воспламенения является период задержки воспламенения, определяющийся в основном тепловым потоком от воспламенителя. Это интервал времени от момента поступления электрического заряда на пиропатрон до достижения заданного значения давления в РДТТ. Обычно давление в точке ЗВ на циклограмме давления составляет 0,07 от рабочего давления в КС, а время задержки 0,05…0,15 с. Для тепловой модели воспламенения время задержки воспламенения обратно пропорционально квадрату величины теплового потока, подводимого к поверхности: 2 q A ЗВ , где A – некоторый коэффициент, зависящий от состава топлива. Тепловой поток определяется массовым расходом ПС воспламенительного состава и суммарным коэффициентом теплоотдачи теплопроводности, конвекции и излучения. В G q , Чтобы уменьшить время задержки воспламенения можно повысить массовый расход ПС или эффективность теплопередачи от ПС к поверхности ТРТ. Это можно проиллюстрировать на примере скорости нарастания давления в КС для 3 сортов воспламенительных составов. ДРП, с температурой горения 2600°K образует примерно 60 % шлаков от общей массы, имеет время задержки 0,2 с и характеризуется градиентом 80…120 МПа. 2 3 NO Ba TiB , температура достигает более 3000°K и образуется 80…90 % высокотемпературных шлаков, время задержки 0,10…0,15 с и градиент 120…160 МПа. n F C Mg 4 2 , температура достигает 3700°K и свыше 90 % мелкодисперсного шлака, минимальное время задержки 0,02 с и градиент 160…200 МПа. Период задержки воспламенения сильно зависит от теплового потока, давления в КС, начальной температуры и состава топлива. Баллиститные топлива воспламеняются легко с малой задержкой воспламенения, но для их воспламенения необходим высокий начальный уровень давления (до 30 атм). Воспламеняемость смесевых топлив хуже, но для них характерна малая допустимая величина начального давления (до 15 атм). Составы воспламенителей [8] Наиболее простым воспламенительным составом для зарядов из баллиститного топлива является дымный ружейный порох (ДРП). ДРП изготавливается в виде зерен различной величины и делится по размерам на ДРП-1, -2, -3, -4 (самый мелкий) или крупнозернистый ДРП (КЗДП). В настоящее время применяется только для стендовых испытаний, т. к. гигроскопичен и не воспламеняется при низких давлениях (0,025 Па). Пиротехнические составы используются для смесевых топлив и представляют собой порошкообразные смеси окислителя, металлического горючего и связующего. Горючее Окислитель U H , МДж/кг B 4 BaCrO 0,84…1,36 B 4 PbCrO 1,68…2,10 B 2 3 NO Ba 5,40…5,80 B 3 KNO 6,00…6,50 Mg n F C 4 2 9,20…9,30 Al 4 KClO 9,60…10,40 Al B 4 PbCrO 2,10…2,50 Ni Zr 4 KClO 4,20…4,60 Al B Ni Zr 4 KClO 6,30…6,70 ДПР (15 % C + 10 % S ) 3 KNO 2,50…2,90 Для обеспечения заданного времени порошкообразный состав гранулируют или прессуют до определенных геометрических размеров и плотности. Пороговая энергия воспламенения для смесевого топлива на основе ПХА приблизительно равна 30 Дж/см² при давлении 50 атм. Для расчета массы воспламенительного состава используют эмпирические формулы, однако они дают большой разброс и не учитывают специфику работы РДТТ. В В Q qS m , где q – количество тепла, которое необходимо передать площади поверхности заряда для его надежного воспламенении (принято считать 30 Дж/см²); S – суммарная площадь горящей поверхности заряда; В Q – теплопроизводительность воспламенительного заряда. В К нач К В f V p m , где нач К p – начальное давление в КС РДТТ, которое должны создать ПС (принимают 30…40 % от рабочего давления в КС); В В RT f – сила пороха (состава воспламенителя); своб К V V – начальный свободный объем КС РДТТ, включая объем дозвуковой части сопла. В прикидочных оценках массу воспламенителя для баллиститных топлив принимают из расчетов 0,0012…0,002 кг ДРП на каждый литр свободного объема КС. Для смесевого топлива принимают из расчета 0,15…0,20 кг воспламенительного состава на 1 м² воспламеняемой поверхности. Иногда может возникать нежелательный пик давления в начале работы РДТТ, который связывают с толщиной прогретого слоя и начальным свободным объемом КС. Если прогретый слой, образовавшийся в период задержки воспламенения толще, чем при установившемся режиме, то он сразу дает более интенсивный газоприход (пик). Чем меньше свободный объем, тем меньше дополнительный газоприход, вызванный излишне толстым прогретым слоем. На ранних стадиях проектирования можно рекомендовать следующее отношение начальной поверхности горения к начальной величине свободного объема КС: м V S своб 1 10 0 – пик отсутствует; м V S своб 1 20 15 0 – слабо выражен; м V S своб 1 30 0 – пик значителен. Список использованных источников 1) Тимнат, И. Ракетные двигатели на химическом топливе [Текст]: пер. с англ. / И. Тимнат – М.: Мир, 1990. – 294 с. 2) Kishore, K. Chemistry of ignition and combustion of AP based propellants. In Kuo and Summerfield / K. Kishore, V. Gayathri. – 1984. – Р. 53- 119. 3) Peretz, A. The starting transient of solid propellant rocket motors with high internal velocity / A. Peretz, K. K. Kuo, L. H. Caveny, M. Summerfield. – 1973. – AlAA J. II, 1719. 4) Kumar, M. Flame spreading and overall ignition transient. In Kuo and Summerfield / M. Kumar, K. K. Kuo. – 1984. – P. 304-306. |