Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.Л. Теория ракетных двигателей. 1989 г. (1241535), страница 86
Текст из файла (страница 86)
Одним из характерных недопустимых режимов горения является аномальное горение — прерывистое, состоящее из нескольких вспышек, с интервалом между ними от долей секунды до нескольких секунд. Диаграмма давление — время имеет на таком режиме вид, изображенный на рис. 35.1, б. Причина возникновения аномального горения заключается в уменьшении теплоподвода к непрореагировавшему топливу.
Как только количество подво- димой теплоты становится недостаточным для нормального хода экзотермических реакций, горение прекращается. В то же время изеза тепловой инерционности прогретого слоя топлива может продолжаться образование и накопление газообразных продуктов разложения конденсированной фазы, заряд может снова воспла- 383 13 хаеааассв в е. в хю 353. Диаграмма давление — время: а — при стабильном горении; б — прн аномальном горении мениться и гореть некоторое время, снова погаснуть и т.
д. Некоторое значение в этом механизме имеет теплоотдача к топливу от нагретых элечентов конструкции камеры. Все факторы, способствующие уменьшению подвода теплоты к непрореагировавшему топливу, увеличивают возможность появления аномального горения. Наиболее важно, что оно возникает при уменьшении давления ниже некоторого предельного для данного топлива. Аномальное горение может возникнуть и при высоких давлениях, если поверхность горения омывается газовым потоком высокой скорости. В этом случае нормальный теплоподвод к топливу нарушается из-за того, что экзотермические реакции не успевают протекать полностью.
Снижение начальной температуры заряда также увеличивает вероятность возникновения аномального горения. Очевидно, что режимы аномального горения не могут являться рабочими и должны быть предотвращены. Это накладывает определенные ограничения на нижний предел давления и на режимы и конфигурацию заряда. Желательно применять топлива, имеющие низкие значения предельного давления, гарантирующего от аномального режима.
В этом отношении преимущество имеют смесевые топлива, для которых р м < 0,1 ... 1,5 МПа. Двухосновные топлива имеют более высокие значения р м (обычно )~1,5 МПа). 35лк ВОСПЛАМЕНЕНИЕ 35.2.1. Физическая модель Воспламенение твердого топлива представляет собой совокупность газодинамических и физико-химических процессов, протекающих в свободном объеме камеры сгорания и поверхностном слое основного заряда твердого топлива, от момента приложения внешнего воздействия, например зажигания заряда воспламенителя, до выхода на стационарный режим. Процесс воспламенения включает несколько стадий. Прежде всего — это передача энергии к топливу внешними воздействиями, которые могут иметь термическую, химическую ихи механическую природу. В наиболее распространенном случае 386 З5.2.
Зависимость времени задержки восолимеиеиии от плотности теплового потока и дивлеиии инициирования горения продуктами сгорания заряда воспламенителя передача теплоты к поверхности основного заряда от продуктов сгорания возможна посредством излучения, кон- дт' векции и горячими частицами, попадающими на поверхность заряда— это основные механизмы передачи теплоты. В результате происходит нагревание, разложение и газификация твердой фазы в поверхностных слоях основного топлива. Следующая стадия характеризуется диффузией продуктов газификации топлива в свободный объем камеры и гетерогенными и (или) газофазными хн- рдт '2вЮ ' мнческими реакциями.
В результате происходит постепенное распространение пламени по поверхности заряда и повышается давление. Продукты сгорания основного твердого топлива смешиваются с продуктами сгорания воспламенителя и, омывая поверхность, усиливают прогрев поверхности заряда. Отдельные участки поверхности заряда, достигшие некоторых критических условий воспламенения, образуют горячие очаги. Особенно эффективно образование таких очагов в случае применения пиротехнических смесей, содержащих значительное количество конденсированных частиц.
Распространение пламени по поверхности происходит путем смыкания локальных очагов. Завершающая стадия воспламенения — это нарастание давления и выход двигателя на стационарный режим. В этот период происходит догорание остатков воспламенительной смеси, выравнивание газоприхода с поверхности горения и расхода газа, истекающего через сопло. Процесс воспламенения является сложным нестационарным процессом, и деление его на стадии в определенной степени условно.
Однако в общих чертах рассмотренная физическая модель подтверждается результатами экспериментов. 'Йаиболее спорный вопрос в теории воспламенения — это выбор критерия воспламенения. Универсального способа для определения этого критерия нет до настоящего времени. Ввиду многофакторной зависимости процесса воспламенения его критерий, по-видимому, должен содержать характеристики энергетического вклада в твердое топливо, характеристики самого топлива и окружающих условий. Кроме того, критерий воспламенения должен быть одновременно применим как в экспериментальных, так и в теоретических исследованиях. з87 Воспламеняемость твердых топлив зависит от компонентного состава топлива и дисперсности частиц окислителя, от начальнцй температуры топлива и окружающей среды, а также от конструктивных факторов — размеров твердотопливного заряда и места расположения и свойств воспламенителя.
Двухосновные топлива воспламеняются сравнительно легко с малой задержкой воспламенения вследствие низких температур самовоспламенения, но и при этом необходим высокий начальный уровень давления (3 МПа и выше). Смесевые топлива воспламеняются хуже двухосновных, но для них характерна малая допустимая величина начального давления. На рис, 33.2 в качестве примера показана зависимость зйдержки воспламенения от плотности теплового потока и давления.
ЗЗ.З. ГОРЕНИЕ ТВЕРДЫХ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ В НЕСТАЦИОНАРНЫХ УСЛОВИЯХ К нестационарным режимам горения относят процессы воспламенения и гашения топлива при выходе на режим и прекращении работы двигателя соответственно; аномальные режимы горения, проявляющиеся в последовательных вспышках заряда; горение при возникновении колебаний давления в камере сгорания; режимы горения, связанные с регулированием тяги. В указанных случаях нестационарность горения вызвана изменением во времени внешних по отношению к топливу условий. Однако отклонения скорости горения от ее стационарных значений могут быть вызваны и внутренними факторами, связанными со свойствами и структурой топлива, такими как, например, локальная неоднородность топлива по составу и дисперсности компонентба смесевого топлива, существенное различие в скоростях выгораннй компонентов топлива и др.
Принципиально различная природа факторов, вызывающих нестационарность горения, обусловила и разные подходы к созданию теории нестационарного горения в том и другом случаях. Для нестационарных процессов, вызванных внешними усйовиями, теория нестационарного горения базируется на след))ющих основных допущениях: топливо однородно и изотропно; фронт пламени и поверхность раздела фаз плоские; процессы разложения конденсированной фазы и горения в газовой фазе идут гораздо быстрее, чем прогревается поверхностный слой топлива, т. е. инерционность связана с формированием прогретого слоя (см.
гл. ХХХ!). При стационарном горении температура поверхности топлива прн перемещении фронта горения в глубь топлива (к-фазы) увеличивается от начальной Т, до температуры Т, = сопз( за счет теплоты химических реакций в газовой фазе. Уравнение этого процесса записывается так: Л,7"' = р,с,и"' (Т, — То), (35.!) тде )пп = (г1Т(г(х), з — градиент температуры в к-фазе у поверх"ности раздела топливо — продукты сгорания; им> — скорость горения. Располагая экспериментальными (или теоретическими) 'данными по скорости горения, с помощью уравнения (35,1) можно 'Ът стандартной зависимости ипп (р, Т,) перейти к зависимости вида иш)(р, )нп). Как видно, параметры газовой фазы, в том числе и скорости химических реакций, в ней определяются не только давлением, но и градиентом температуры у поверхности раздела фаз, так как от него зависит отток теплоты из газовой в к-фазу.
Можно предположить, что скорость нестационарного горения также определяется мгновенными значениями давления 'И градиента, а характер ее изменения связан с зависимостью Давления от времени и с процессом теплопроводности в к-фазе. Для определения нестационарной скорости горения необходимо решать уравнение теплопроводности дТ д дТ дТ Ртст д = д Хт д Ртстп х ( О. (35.2) Кроме общепринятых граничных условий, необходимых для решения задачи (при х = О Т = Т„при х — — со Т = Т„), должны быть заданы вид зависимости скорости горения от давления и градиента температуры ), закон изменения давления по времени и = и (р, )), р =- р (1), (35.3) а также начальные условия, Как отмечалось выше, функциональный вид зависимости и (р, /) может быть получен из стационарного закона горения и' (р, )').
Для установления этого закона целесообразно использовать экспериментальные данные, так как воэтом случае стационарный закон скорости горения и' (р, ~') не содержит недостатков конкретной модели, и в то же время автоматически учитывается сложность физико-химических процессов, протекающих в реальной обстановке. Теория нестационарного горения позволила на качественном уровне объяснить некоторые явления этого процесса, однако крличественные оценки обнаружили противоречия с результатами экспериментов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
