Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. - Основные характеристики горения (1043377), страница 53

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 53)

В связи с тем, что активное действие катализатора CuSa осу­ществляется в дымогазовой и газовой зонах пламени, а катализа­тора PbSa — в конденсированной фазе топлива, их одновременное введение в состав топлива приводит к значительному увеличению скорости, что и нашло свое подтверждение в результатах по изме­рению скорости горения от давления.

4. Металлизированный баллиститный порох

В последнее время большое внимание уделяется созданию твердых топлив .с высоким единичным импульсом. Теоретические оценки показали, что применение таких металлов, как Al, Mg, В, Be, в качестве горючего в составе топлив расширяет возможности для улучшения энергетических характеристик последних, что свя­зано с большими значениями теплот сгорания этих металлов. Применение металлов в качестве добавок в составах твердых ракетных топлив связано также и с их воздействием на ряд других важных свойств топлива, в частности с влиянием на скорость горения и ха­рактер ее зависимости от давления.

Структура поверхности горения образца, воспламенение и горение частиц алюминия в пламени

Р ассмотрим вопросы, связанные с процессами, протекающими на поверхности горения образца, а также с процессами воспламе­нения и горения частиц алюминия о пламени пороха [64]. Для исследования процесcа горения
были выбраны порох Н и К с
ранее измеренными макси­мальными температурами пламени T_экс = 2340 К и T_экс = 3040 К при давлении
Р=б,5 МПа [40]. В состав
пороха Н и К вводили части­цы алюминия в количестве 2, 4 и 9% и размером 40—70 мкм и меньше микрона. Введение
алюминия в состав баллиститного пороха приводит к появ­лению на поверхности образца при горении укрупненных ча­стиц—агломератов (рис. V.12).
Агломерация на поверхно­сти горения происходит в ос­новном за счет слипания ча­стиц металла с термостойкими
продуктами разложения нит­роклетчатки с последующим слиянием частиц алюминия.
Влияние таких факторов, как
давление, содержание, исход­ный размер

Рис. V.12. Поверхность горения поро­ха Н + 9% Al (d₀ < 1 мкм) при дав­лении 1 МПа (а) и 4 МПа (б).

частиц алюминия, существенно сказывается на размер агломератов на поверх­ности горения.

Повышение давления ведет к уменьшению размеров агломератов. Увеличение содержания металла (при прочих равных условиях), а также ис­ходного размера частиц алюминия (при одном и том же содержа­нии металла и начальном давлении) приводит к росту агломера­тов на поверхности горения пороха (табл. V.1). Такое влияние объясняется как увеличением концентрации метал­ла на поверхности горения пороха, так и большей способностью

Таблица V.I. Размеры агломератов, образующихся на поверхности

горения баллиститных порохов Н и К, оцененные,

ф
отографическим методом*

* do — Размер частиц алюминия, вводимых в состав пороха.

более крупных частиц алюминия образовывать более крупные аг­ломераты (влияние исходного размера частиц добавки) при про­чих равных условиях.

Покадровый анализ фотографий процесса горения баллиститного пороха с добавкой алюминия показал, что агломерация ме­талла на поверхности горения осуществляется путем его накопле­ния (для пороха Н+9% А1 при Р=2 МПа среднее время пребы­вания агломерата размером 850 мкм составляет 18 мс). Исследо­вания с помощью скоростной кинокамеры показали, рост агломе­ратов путем столкновений движущихся на поверхности заряда по­роха частиц металла. Однако следует отметить, что процесс столк­новения частиц и образование агломератов осуществляется в го­раздо меньшей степени, нежели агломерация металла за счет на­копления его на поверхности горения (обнаружено незначитель­ное число движущихся на поверхности частиц металла, сливаю­щихся в агломераты).

Как было показано ранее [44], полнота сгорания, а следова­тельно, и температура пламени зависит от давления окружаю­щей среды. Поэтому сжигание образцов пороха при различном давлении дает возможность проследить за изменением размеров частиц металла, введенного в .состав пороха; в зависимости от тем­пературы пламени. Изучение под микроскопом продуктов, осев­ших в процессе горения на внутреннюю поверхность стеклянного сосуда, помещенного в бомбу постоянного давления, позволило оценить размер, форму и состояние поверхности частиц продуктов сгорания алюминия. В области низких давлений при неполном сгорании пороха продукты сгорания представляют собой агрега­ты частиц алюминия, слипшихся между собой и с термостойкими продуктами разложения нитроклетчатки, богатых углеродом. Сли­пание значительного числа частиц алюминия с сажей происходит на поверхности образца с образованием сетки, после разрушения которой отдельные ее куски — агрегаты — уносятся газообразными продуктами сгорания. Агломераты не являются однородными по структуре и разламываются и дробятся на более мелкие после обработки в растворителе или при прокаливании.

С повышением температуры пламени продукты сгорания алю­миния в основном состоят из частиц сферической формы темно-серого цвета. На их поверхности видны трещины и различные де­фекты. В табл. V.2 представлены экспериментальные данные по измерению среднеобъемного размера d при горении пороха Н и К с различным процентным содержанием и начальным размером d_a частиц алюминия при давлении 2,2 и 6,6 МПа.

Фотографическое исследование процесса горения металлизиро­ванного пороха Н показало существование в пламени различных по размерам ярко светящихся факелов горящих частиц алюминия, температурная зона воспламенения которых по высоте пламени оказалась различной. Для оценки температуры воспламенения ме­талла по высоте пламени в состав пороха вводились сферические частицы алюминия размером 40 и 120 мкм в количестве 0,1% с тем, чтобы исключить агломерацию металла на поверхности, и, кроме того, такая незначительная добавка не влияла на общее распределение температуры в волне горения. Место воспламенения (возникновение светящегося ореола вокруг частиц) относительно поверхности горения определялось с помощью скоростной кино­съемки. С помощью сопоставления экспериментальных данных о распределении температуры по высоте пламени и о месте появле­ния ореола вокруг частицы оценивалась температура окружающе­го газа, при которой произошло воспламенение частицы алюминия.

Воспламенение частицы металла зависит как от размера, так и от окружающей температуры пламени. Это связано с временем прогревания частиц до температуры окружающей среды. Очевидно, что чем больше размер частицы, тем больше времени потребует­ся для нагревания ее до температуры воспламенения. Используя экспериментальные данные о расстоянии от поверхности горения до места воспламенения частицы металла в пламени, можно оце­нить время ее прогревания (время индукции), а зная размеры пла­мени, оценить время ее пребывания в продуктах сгорания.

Таблица V.2. Среднеобъемный размер d агломератов при горении пороха

Экспериментально установлено, что в пламени баллиститного пороха Н частицы алюминия размером 40 мкм воспламеняются на расстоянии ~300 мкм от поверхности горения, а частицы разме­ром 120 мкм — на расстоянии 500 мкм при температуре 1300 К (Р=2,2 МПа) [66]. Результаты расчета времени прогревания и времени пребывания частиц алюминия с d₀=40 и 120 мкм в пла­мени баллиститного пороха Н приведены ниже (v =1,867 м/с; ρ= 2,7-10³ кг/м³; u=4-10^-3 м/с; h = 2-10^-5 кг/см [65]):

Воспламенение частиц алюминия на ранних стадиях процесса горения (1300 К) можно объяснить не фазовым переходом плав­ления А1₂О₃, а скорее всего растрескиванием и частичными разры­вами окисной оболочки парами металла и диффузией последних в газовую фазу. Этому в определенной мере способствует различие в коэффициентах объемного расширения металла и окисла (β ai= 33,5-10^-6 К^-1 в интервале T=320..1300 К, β Al₂O₃=8,6-10^-6 К^-1 в интервале T=800…900 К). Относительные размеры зон горения частицы алюминия (b=r факела/rчастиц) были оценены с помощью скоростного фотографирования горящей частицы и методом отбора ее из пламени на определенном расстоянии от поверхности, горения (h=5 мм). Величина в интервале давлений 2—6 МПа для частиц размером 40 мкм изменялась в пределах 1,6—1,4.

Температура факела частицы алюминия в пламени баллиститного пороха Н оценена тремя различными оптическими методами [66] и оказалась равной 3200 ±150 К, т. е. выше температуры пла­мени на 400—700 К. При оценке температуры фотографическим методом факел частицы просвечивался импульсным источником из­лучения [67]. Большое значение поглощательной способности зо­ны, окружающей горящую частицу (0,85—0,95), объясняется су­ществованием в ней мельчайших конденсированных частиц окисла Аl₂О₃, которые и являются основными источниками теплового из­лучения горящих частиц алюминия.

Температура и эмиссионный спектр пламени

Влияние дисперсности и концентрации вводимого в порох ме­талла на максимальную температуру пламени показано на рис. V.13.

Как видно, для всех исследуемых составов наблюдается рост температуры пламени с уменьшением размера частиц и увеличени­ем процента содержания алюминия в порохе. Однако с повышени­ем процентного содержания металла в порохе увеличивается рас­хождение между экспериментально измеренными и теоретически рассчитанными температурами пламени вследствие усиления процесса агломерации. Укрупнение частиц алюминия приводит к сни­жению его полноты сгорания в связи с увеличением времени сго­рания в пламени пороха.

На рис. V.14 приведены распределения температуры по высоте пламени пороха Н и Н + 9% А1. Различие температурных профи-, лей объясняется тем, что частицы металла, воспламеняясь вблизи поверхности, выделяют дополнительное тепло, которое и ведет к изменению температурного распределения по высоте пламени.

Спектр излучения пламени пороха Н с добавкой алюминия весьма сложен и включает большое число линий и полос. Обнару-

V

Рис. V.13. Зависимость температуры пламени от процентного содержания алюми­ния в порохе и первоначального размера частиц алюминия do =6,6 МПа: / — расчетная прямая; 2 — d<l мкм; 3 — 40—70 мкм; 4 — порох Н.

Рис. V.14. Распределение температуры по высоте пламени:

1 —порох Н; 2 —порох Н+9% А1 (<2₀=40—70 мкм).

жены спектральные линии, отнесенные к следующим продуктам го­рения: С0₂ (326,5); СО (324,2); С₂ (404,2); NO (394,9); Н₂ (629,9); О₂ (367,3); -CN (385,5); -ОН (306,0 нм); а также линии атомного алюминия при 396,1, 394,4'вм и несколько полос А1О с -кантами при 311,43; 435,2; 507,9 нм. Излучение пламени с добавкой алюми­ния частично имеет непрерывный спектр, постепенно спадающий в область уменьшения длин волн.

Линейная зависимость 1пЕ}.,_т + 5\пК от 1/К для пламен бал-листитных порохов с добавкой алюминия может указывать, что сплошной спектр обусловлен термическим излучением образую­щихся в результате реакций частиц А1₂0з-

Характеристики

Список файлов книги