Сухов А.В. - Порошкообразные металлические горючие

Государственный комитет СССР по народному образованию

____________________

А.В.СУХОВ

Для служебного пользования

Экз. № 42

ПОРОШКООБРАЗНЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ГОРЮЧИЕ

Издательство МГТУ

1989

Государственный комитет СССР по народному образованию

А.В.СУХОВ

Для служебного пользования

ПОРОШКООБРАЗНЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ГОРЮЧИЕ

Утверждено редсоветом МГТУ

как учебное пособие

Под редакцией В.М.Кудрявцева

Издательство МГТУ

1989

ББК 31.352

С91

С91 Сухов А.В. Порошкообразные металлические горючие: Учебное пособие. — М.: Изд-во МПУ. — 110 с., ил.

ISBN 5-7038-0200-8

Учебное пособие посвящено анализу экспериментальных данных и методов расчета характеристик процессов воспламенения и горения металлических горючих в различного рода двигателях летательных аппаратов (ДЛА). Предназначено для самостоятельной работы студентов при изучении соответствующего раздела учебного курса «Теория рабочих процессов ДЛА». Приведена обширная библиография, из которой студентам выборочно выдаются задания на изучение соответствующей литературы, что позволяет также получить необходимо навыки по работе со справочной, научно-технической и другой литературой.

Рецензенты: Е.В.Шишов, Г.Б.Петражицкий.

ББК 31.352

Редакция заказной литературы

Алексей Васильевич Сухов

Порошкообразные металлические горючие

Заведующая редакцией Н.Г.Ковалевская

Редактор Ю.Н.Хлебинский

Корректор Л.И.Малютина

ISBN 5-7038-0200-8 © МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1989

Подписано в печать 27.12.89. Формат 60  90/16.

Усл.печ.л. 7,0. Уч.-изд.л. 7,03. Тираж 100 экз. Изд. № 173.

Заказ 10у Бесплатно.

Издательство МПУ, типография МГТУ. 107005. Москва, Б-5,

2-л Бауманская, 5.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

J_y — удельный импульс тяги, Н.с/кг;

J_y^v — объемный удельный импульс тяги, Н.с/м ;

T — температура. К;

Т_в — предельная температура воспламенения. К;

 — давление, Н/м², Па:

t — время, с;

_u — время индукции воспламенения, c;

_r — время горения, с;

X — относительная массовая (мольная) концентрация;

x — относительная массовая (мольная) концентрация газа в пределах приведенной пленки;

j — плотность массового расхода (потока), кг/(м² · с);

Y — массовый расход (поток), кг/c;

q — плотность теплового потока, Вт/м²;

Q — тепловой поток, Вт;

Q^R — лучистый тепловой поток, Вт/м²;

Z_исп — теплота фазовых переходов, Дж/кг;

L — расстояние между cубмикронными частицами К-фазы, м;

U — скорость химической реакции, кг/(м³ · с);

K — предэкспоненциальный множитель в уравнении скорости химической реакции:

E — энергия активации, Дж/кг;

H — энтальпия, Дж/кг;

H_т — теплота химической реакции. Дж/кг;

 — коэффициент реакции;

К₀ — массовое стехиометрическое соотношение компонентов;

К_ — мольное стехиометрическое соотношение компонентов;

К_m — действительное соотношение компонентов;

R — газовая постоянная, Дж/(кг · К);

R_ — универсальная газовая постоянная, Дж/(моль · К);

 — размер молекулы, м;

 — масса молекулы, кг;

r_э — аффективный радиус, м;

l — характерная длина, длина свободного пробега молекул, м;

d — диаметр, м;

r — радиус, м;

— относительный радиус;

m — масса частиц, кг;

 — плотность, кг/м³;

 — толщина фронта пламени или окисной пленки, м;

D — коэффициент диффузии, м²/с;

 — коэффициент теплопроводности, Вт/(м · К);

С_р — удельная теплоемкость газа, Дж/(кг · К);

 — степень черноты;

 — достоянная Стефана-Больцмана, Вт/(м² · К⁴);

 — скорость стефановского потока массы, м/о;

М — относительная молекулярная масса;

F — площадь, м²;

V — объем, м²;

 — коэффициент динамической вязкости, кг · с/м²;

 — коэффициент теплообмена, Вт/ (м² · К);

с — массовая концентрация, кг/м³;

С_к — теплоемкость К-фазы, Дж/(кг · К);

n — число частиц металла в единице объема, м^-3;

— критерий Прандтля;

— критерий Льюиса;

— критерий Нуссельта;

— критерий Рейнольдса;

— критерий Кнудсена;

w — скорость, м/с;

 — коэффициент, характеризующий относительную величину термических трещин на поверхности окисной пленки;

Me — металл;

 — степень испарения (сублимация);

а — коэффициент температуропроводности, м²/c;

_эф — эффективная степень черноты;

_п — степень черноты газовзвеси ворошка металла.

И Н Д Е К С Ы

1 — дары металла;

2 — окислитель;

3 — газообразные продукты реакция юи ияерюая ссетавжаюдая;

S — условия на поверхности частицы, поверхностное горение;

F — условия во фронте пламени газовзвеси частиц металла;

f — условия во фронте пламени частицы металла;
 — условия на границе приведенной пленки;

k — yсловия в К-зоне;

пл. — плавление;

кип. — кипение;

исп. — испарение;

0 — начальное значение параметра;

кр. — критические параметры;

м — металл конденсированный;

ок. — окисел;

пр. — продукты реакции;

ср. — окружающая среда,

тв. — твердая фаза;

ж. — жидкая фаза;

г — газовая фаза, газофазное горение;

отн. — относительный параметр;

Р — равновесное состояние;

у — наружная граница условного объема;

ст. — стенка;

+0 — правая граница;

-0 — левая граница;

т — топливо.

Примечание. Двойной цифровой индекс означает, что параметр характеризуется смесью соответствующих газов. Черта над параметром означает, что он осреднен в пределах соответствующей зоны.

С О К Р А Щ Е Н И Я

ФП — фронт пламени;

ПМГ — порошкообразное металлическое горючее;

КС — камера сгорания;

ЭСУ — энергосиловая установка;

ДУ — двигательная установка;

ТТ — твердое топливо;

СТТ — смесевое твердое топливо;

ПС — продукты сгорания.

В В Е Д Е Н И Е

Развитие современного двигателестроения на химических источниках энергии связано с широким использованием в качестве горючих компонентов порошкообразных металлов, взаимодействие которых с различное рода окислительными средами приводит к выделению значительного количества тепловой энергии. Это вместе с высокой плотностью металлов обусловило большой интерес и постановку целого ряда исследовательских работ по изучению особенностей воспламенения и горения порошкообразного металлического горючего (ПМГ) как в условиях работы камеры сгорания (КС) различного рода энергосиловых установок (ЭСУ), так и в условиях производства промышленных металлических порошков, их хранения, транспортировки и т.д.

Цель настоящего учебного пособия — систематизировать имеющийся в литературе обширный экспериментально-теоретический материал по исследованию механизма и характеристик процессов воспламенения и горения металлических горючих в различных условиях; методически подготовить его к самостоятельному изучению студентами, изучающими соответствующие специальности. Вместе с обширной библиографией это позволит также познакомить студентов с достижениями в данной области науки и техники, с нерешенными проблемами, дозволит получить навыки в работе с научной литературой.

Методически первый этап исследований процессов воспламенения и горения ПМГ осуществляется на отдельных (одиночных) частицах. Экспериментально, обычно с помощью скоростной киносъемки, изучается механизм и особенности воспламенения и горения частиц металлов в различных условиях (химический состав окислительной среды, давление, температура, форма, размер и тип частиц ПМГ и др.). Полученные сведения по механизму воспламенения и горения металлов, его особенностям используются затем при разработке теоретических физико-математических моделей и соответствующих расчетных методик.

Второй этап исследований заключается в изучении тех же характеристик применительно к совокупности взвешенных частиц ПМГ различной концентрации в различных газообразных окислительных средах. Теоретические модели для совокупности частиц (газовзвеси) обычно базируются на моделях, разработанных для одиночных частиц, с учетом дополнительных факторов, связанных со снижением по времени концентрации окислителя, тепловым взаимодействием частиц между собой и др.

Далее исследования характеристик воспламенения и горения ПМГ осуществляются в модельных установках, условия работы в которых соответствуют условиям работы реальных двигательных установок (ДУ), т.е. с учетом особенностей турбулентного течения при смесеобразовании, воспламенении и горении высокометаллизированного топлива.

Заключительный этап исследований связан с опытно-конструкторскими разработками и осуществляется на натурных либо полунатурных стендовых установках о целью апробации разработанных расчетных методик и практических рекомендаций по организации рабочего процесса в различного типа ДУ. Весь комплекс исследовательских работ и ОКР завершается натурными испытаниями, призванными дать окончательную оценку эффективности и надежности работы созданной ЭСУ.

Эффективность использования порошкообразного металлического горючего в качество основного компонента топлива (в тиксотропном либо в псевдосжиженном виде) связана, прежде всего, с возможностью глубокого регулирования тяги (до 10-кратного и более), а также с ликвидацией дорогостоящего пиротехнического производства; все это устраняет серьезные недостатки, связанные с агломерацией ПМГ на поверхности горения зарядов твердого топлива. Кроме того, псевдосжижение и тиксотропные ПМГ не боятся вибраций, перегрузок, взрыво- и пожаробезопасны, удобны в эксплуатации (отсутствует токсичность, коррозионная активность, физико-химические превращения при длительном хранении и др.).

Дальнейшее повышение эффективности и надежности ДУ, использующих такого рода порошкообразные металлические горючие, связано с освоением более энергоемких ПМГ (например, на основе В, Ве и др.), с совершенствованием систем регулирования и подачи максимально уплотненных ПМГ (степень уплотнения порошка должна достигать 0,8 и выше), интенсификацией процессов воспламенения и горения за счет активации металлических порошков (замещение окисной пленки, капсулирование и др.), а также с совершенствованием теоретических методов расчета характеристик рабочего процесса. Кроме того, для таких ДУ требуются дальнейшие исследования по реализации высокоэффективных режимов горения ПМГ (газофазное с дроблением), обусловливающих повышение полноты сгорания  при минимальных габаритах КС, а также повышение дисперсности конденсированных продуктов сгорания. Последнее обеспечивает надежный вынос окислов металлов из камера сгорания (устранение зашлаковки), а также снижает скоростное и температурное запаздывание К-фазы, приводящее к уменьшению J_y. Решение этих взаимосвязанных задач, обеспечивающих одновременно необходимую теплозащиту теплонапряженных элементов конструкции, устойчивость рабочего процесса и т.д., приведет к повышению как надежности, так и эффективности работы ДУ на ПМГ.

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И PE3УЛЬTATOВ ИССЛЕДОВАНИЙ ПPOЦECCOB ВОСПЛАМЕНЕНИЯ И ГОРЕНИЯ ПМГ

Процесс воспламенения и горения любых топлив (в том числе и металлсодержащих) оценивают с помощью таких характеристик, как скорость W_F распространения фронта пламени, температура Тв воспламенения, период _u задержки тepмичecкoгo воспламенения, или время индукции, и время горения _r.

Аналитическому и экспериментальному исследованию этих характеристик посвящено в настоящее время достаточно большое число работ. Рассмотрим последовательно эти методы исследования и имеющиеся данные по изучению процессов воспламенения и горения металлов.

1.1. Методы и средства экспериментальных исследований

Рассмотрим методы получения высокотемпературной окислительной среды, используемые измерительные средства для контроля ее параметров и параметров процессов воспламенения и горения частиц, методы анализа продуктов реакции, а также способы подачи частиц ПМГ в реакционную камеру.

Основной трудностью подготовки эксперимента (особенно при высоких давлениях) является получение высокотемпературной окислительной среды, необходимой для инициирования воспламенения — как одиночных, так и совокупности взвешенных металлических частиц с заданной концентрацией. Можно выделить три основных способа получения высокотемпературной среды.

Первый способ заключается в подогреве газовой смеси заданного состава с помощью электрических нагревательных элементов (электрических спиральных печей, силитовых печей, графитовых электродов), позволяющих получить температуру среды, не превышающую 1200—1500 К. Этот метод в настоящее время получил техническое решение лишь в экспериментах при атмосферном давлении.

В работе [65] подогрев воздуха осуществлялся в фарфоровой трубке, проходящей через систему электрических печей. Воздух порвался воздуходувкой и подогревался до 1300—1400 К при скорости потока  30 м/с. В качестве рабочего участка использовалась стеклянная трубка. При этом падение температуры по длине рабочего участка (l = 500 мм,  25 мм) составило  430 К. Вместо воздуха здесь могут быть использованы и другие газовые окислительные смеси. Такой способ создания низкотемпературной окислительной среды применялся также в работах [9, 21, 77, 78, 27] и др. Сюда же следует отнести и метод [75], котором нагретая электрическим током графитовая пластина (или миниатюрный графитовый электрод) создавала микрозону с необходимыми параметрами, нестабильностью которых в пределах размеров, не превышающих размер исследуемой частицы (неподвижной), можно практически пренебречь.

Недостатком использования печей и различных металлических нагревательных элементов является ограниченная возможность повышения температуры рабочей среды. Применение же графитовых электродов приводит при высоких температурах к их сублимации и выделению двуокиси углеродов, что изменяет химический состав рабочей среды и снижает время службы графитовых нагревателей. Преимуществом установок подобного типа является возможность изменения в широких пределах состава рабочей среды, а также достаточно высокая равномерность полей температур, скоростей, концентраций и т.д.