Штехер М. С. - Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1043408), страница 33

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

Текст из файла (страница 33)

u — изменение скорости горения в заданных пределах

температуры;

t — изменение температуры от t₁ до t₂;

t₁, t₂ — начальная и конечная температуры.

Температурный коэффициент существенно зависит от состава твердого топлива и обычно определяется экспериментально.

Для основных типов ТРТ конкретные значения температурного коэффициента в ограниченных пределах температур приводятся в табл. 4. 6.

Величину температурного коэффициента, как это видно из табл. 4. 6, можно несколько изменять, вводя в состав топ-лива соответствующие добавки или меняя основные компоненты. Для ракетных двигателей, особенно для двигателей космических аппаратов, работающих в условиях широкого изменения начальных температур заряда, необходимо подбирать топлива с минимальным значением температурного коэффициента. Температурный интервал, в пределах которого действует установленный температурный коэффициент, должен отвечать условиям работы двигателя.

Изменение скорости горения от температуры можно подсчитать по формуле

u_t= 1-b_t(t₀-20°), (4.8)

здесь t₀ — начальная температура заряда, для которой опреде-ляется скорость сгорания;

_t— температурный коэффициент для заданного топлива. Эта формула достаточно точна в пределах температур от -50 до +50° С (223-323 К) [25].

Влияние начальной температуры заряда на скорость горения можно объяснить малым значением теплопроводности массы ТРТ. В процессе сгорания тепловой поток от поверхности горящего слоя распространяется вглубь со скоростью, почти равной скорости горения. Из-за низкой теплопроводности масса заряда не успевает прогреться, ее температура в зоне горения почти;

Таблица 4.6

равна t₀ и отвечает малой начальной скорости горения, которая и сохраняется в течение всего периода горения холодного заряда.

Виды горения ТРТ

В зависимости от свойств топлива и условии его горения в камере сгорания двигателя различаются пять видов горения: нормальное, неустойчивое, неполное, резонансное, эрозионное. Возникновение той или иной формы горения заряда зависит от ряда условий и причин, которые не всегда могут быть четко установлены [2, 25, 54].

Возникающие формы горения в ряде случаев могут переходить одна в другую иногда без видимых причин.

Процесс сгорания топлива сложен, он не всегда поддается. расчету и управлению. Поэтому очень важно знать и различать формы сгорания, знать и уметь устранять основные причины, вызывающие возникновение той или иной формы горения.

Нормальное горение ТРТ

Под нормальной формой горения топлива понимается устойчивое послойное горение, при котором устанавливаются постоянные значения давления, температуры, скорости истечения газов из сопла и постоянная заданная тяга двигателя. Характер изменения давления в камере двигателя в зависимости от времени горения заряда показан на рис. 4.8; нормальное горение здесь представлено кривой A.

Для нормального горения необходимо соблюдение всех заданных условий работы двигателя и поэтому оно, естественно, является наиболее желательной формой.

176

При наличии нормального горения можно считать, что заданные технические условия по составу топлива, технологии изготовления заряда, условий его хранения и эксплуатации выдерживаются полностью.

Неустойчивое горение ТРТ

Эта форма горения показана на рис. 4.8 кривой Б. Для неустойчивого горения характерны резкие отклонения давления в камере от расчетного р_к. При этом нарушается постоянство газовыделения и тяги двигателя, что ведет к неустойчивости полета ракеты. Неустойчивое горение является. следствием многих причин, например наличия мелких трещин в заряде, находившемся в условиях длительного хранения, местного изменения влажности топлива, местного изменения плотности, вызванного условиями изготовления, плохого перемешивания массы топлива или наличия кусков от зарядов, пущенных в переработку. Неустойчивое горение может возникнуть в результате неравномерного распределения присадок в составе топлива. Одной из возможных причин возникновения неустойчивого горения может быть увеличение так называемого эрозионного эффекта или возникновения горения с раздуванием внутреннего канала заряда, увеличение его поперечного сечения к соплу по условиям, которые подробно рассматриваются в разделе о эрозионном горении. Кроме перечисленных возможны и другие причины неустойчивости горения.

Резонансное горение ТРТ

Характерная для резонансного горения форма диаграммы давления в камере по времени горения показана на рис. 4.8, кривая В.

Из диаграммы видно, что в начальном периоде горение идет нормально, но затем появляются колебания газа в объеме ка-меры. Вначале это слабые акустические колебания, которые затем усиливаются за счет возникающего резонанса. Усиленные резонансные колебания обычно приводят к резкой неустойчивости горения, а затем и к разрушению двигателя.

177

Резонансное горение возникает при наличии звуковых и вы-сокочастотных колебаний в газовом объеме камеры сгорания. Причины возникновения высокочастотных колебаний невозможно вскрыть четко во всех случаях. Иногда собственные колебания переходят в резонансные при определенных условиях горения заряда, например при достижении определенного давления, температуры или размеров горящего заряда. Иногда появлению резонансного горения способствует возникновение акустических колебаний газа в зазоре между зарядом и стенкой каме-ры в момент начала работы двигателя, т. е. когда пламя распространяется по поверхности заряда. Иногда причиной резонансного горения являются отклонения в технологии заряда, например наличие разнородной плотности, трещины, кусковатость и др. [7, 25].

Во всех случаях появления резонансного горения необходимо принимать меры борьбы с ним и добиваться его устранения. Известен [25] ряд способов борьбы с неустойчивостью горения.

1. Изменение рецептуры состава, введение присадок, действующих на процесс горения. Это присадки — стабилизаторы горения, флагматизаторы или катализаторы. Возможно изменение соотношения окислителя и горючего, замена одного из компонентов или применение смешанных горючих или окислителей.

2. Изменение формы заряда с учетом возможного изменения величины тяги по времени работы двигателя. Изменяя форму заряда, меняют размеры поверхности горения и, таким обра-зом, влияют на скорость выгорания заряда, на величину газообразования, следовательно, на массу газа, скорость нарастания давления. Все эти элементы, в свою очередь, сильно влияют на возникновение и развитие акустических и резонансных колебаний.

3. Увеличение адгезии заряда со стоиками камеры, создание монолитности заряда и камеры, увеличение общей массы, что влияет на характер и частоту собственных колебаний системы.

4. Увеличение толщины или формы бронировки заряда, что иногда дает положительные результаты. Действие последних трех способов в принципе сходно.

5. Изменение температуры горения, которое можно получить при изменении состава топливной массы, соотношения компонентов или характера выгорания заряда за счет бронировки или адгезии. Изменение температуры будет влиять на величину давления и плотности газа в камере, а следовательно, и на характер акустических колебаний в системе заряд — двигатель. Надо учитывать, что изменение температуры горения будет сопутствовать всем предыдущим способам борьбы с неустойчивым горением.

6. Акустическое воздействие на устойчивость горения. Поскольку неустойчивость есть результат возникновения и разви-

178

тия акустических колебаний с последующим их усилением и переходом в резонансные, естественно, возникает необходимость погасить акустические колебания в их начальной форме. Возбуждая в камере в массе газа иную систему акустических колебаний, можно ожидать, что новая искусственная форма их придет в резонанс с основными колебаниями и заглушит их или уменьшит их энергию. Это возможно при условии, что искусственные колебания будут подобраны как антиколебания по отношению к основным.

7. Процесс выгорания массы заряда можно регулировать, изменяя ее теплопроводность с помощью металлических стержней или ленточек и, таким образом, противодействуя неустойчивости горения, регулируя выгорание тех или иных объемов заряда, газообразование, а следовательно, и акустические колебания.

Эрозионное горение — горение с раздуванием

Э розионное горение, или, как его часто называют, горение с раздуванием внутреннего канала заряда, также относится к аномальным формам горения. Однако эрозионное горение за-метно отличается от предыдущих аномальных форм и по существу и по форме явления. Явление было обнаружено и описано Мюрауером около 1927 г. Впервые это явление исследовано Лангемаком в 1934 г., затем позднее более подробно Зельдовичем, Лейпунским и Победоносцевым. Внеш-нее проявление эрозионного горения сводится к тому, что заряд ТРТ, имеющий внутренний цилиндрический канал, горит так, что диаметр канала не остается постоянным по всей длине, как должно быть при послойном горении [25, 54].

При эрозионном горении диаметр внутреннего канала у сопла увеличивается больше, чем диаметр у головной части камеры, и канал приобретает форму конуса (рис. 4.9). Происходит как бы раздувание канала к соплу на конус. Механизм эрозионного горения сложен и, по существу, не вскрыт до конца и в настоящее время.

Эрозионное горение возникает только в начальный период, когда внутренний канал, по поверхности которого идет горение, имеет относительно большую поверхность (площадь) по сравнению с площадью поперечного сечения канала на выходе газов. В этом случае в процессе горения в выходном сечении канала всегда устанавливается высокая скорость течения газов и возникает турбулентное течение.

179

В условиях турбулентного течения с большой скоростью, как известно, увеличивается теплопередача от горячих газов к слою топлива, увеличивается температура слоя и растет скорость выгорания топлива именно у выходного сечения канала.

Но с увеличенной скоростью выгорает только хорошо прогретый слой топлива, а затем, из-за плохой теплопроводности ТРТ, нижележащие слои топлива оказываются холоднее и ско-рость горения замедляется. В ряде случаев наблюдается даже временное прекращение горения слоя до его прогрева, последующей сублимации и новой вспышки.

Таким образом, возникает нестационарность горения, из-за чего горение и называют эрозионным. Механический эффект выдувания твердых частиц топлива газовой струей, текущей с большой скоростью через краевое сечение канала, вероятно возможен, но он не является решающим и не может объяснить нестационарность эрозионного горения.

Для характеристики эрозионного горения Ю. А. Победоносцевым была предложена удобная и простая зависимость, получившая мировое признание и названная коэффициентом Победоносцева _поб,

Характеристики

Список файлов книги