книги из ГПНТБ / Мелькумов Т.М. Теория двигателей. I. Теория ракетных двигателей. II. Применение ядерной энергии в силовых установках [учебник]

йой температуры Ттч топлива. Оно определяется условиём, йтб при этом давлении количество тепла, поступающего из зоны пла­ мени на поверхность топлива, еще достаточно для поддержания стационарного процесса горения.

Температурный коэффициент, различный для разных топлив, показывает изменение скорости горения при изменении темпера­ туры топлива на 1°С; он имеет значение порядка 0,001 -f-0,007 на 1°С; следовательно,

эффекта внешнего теплоподвода к топливу из зоны пламени. Скорость горения большинства твердых топлив увеличивает­

ся на 0,1—0,35% при росте начальной температуры на 1°С. Пере­ ход с А)яч= — 40 до -+-S 40°С увеличивает скорость горения на 10—25%, а в отдельных случаях и больше.

Ф и г. 5.2. Зависимость скорости горе­ ния от давления

Температурный коэффициент определяется из уравнения

дIn w,гор

Тт я.

если известна аналитическая или графическая зависимость ско­ рости горения.

Для коллоидных топлив температурный коэффициент больше, чем для сложных составных топлив. Так, например, для баллистита JPN температурный коэффициент равен 0,0038 на 1°С, в то время как у гальсита он составляет 0,0015 на 1°С.

121

Показатель'/г степени при давлении различен для разных топлив и изменяется в пределах 0,1 -f- 0,8. Величина п, кроме то­ го, зависит от давления, уменьшаясь с уменьшением /?к*.

На фиг. 5.2 показана зависимость скорости горения от дав­ ления в камере для одного значения начальной температуры твер­ дого топлива. Ниже давления /?кшт выражение (5.11)- уже не­ справедливо.

Написание уравнения скорости горения в форме (5.11) озна­

где а — условная или действительная скорость горения при некотором началь­ ном. стандартном значении давления (фиг. 5.2).

122

твердого топлива, так как скорость горения меньше зависит от p t . В этом .смысле составные топлива на основе перхлоратов и ни­ тратов (калия, аммония и др.) лучше коллоидных порохов (на основе нитроглицерина и нитроцеллюлозы).

5

2

1

0,5

приведена кривая 3 для составного топлива на основе перхлора­

приведены некоторые данные для трех топлив. Из таблицы вид­ но, что для составного топлива показатель существенно меньше, соответственно чему меньше и минимальное давление .в камере, при котором еще возможно горение; вместе с тем скорость горе­ ния перхлоратного топлива наименьшая.

Изменение начальной температуры топлива, вследствие его температурной чувствительности, измеряемой температурным коэффициентом, оказывает влияние на скорость горения топлива; поэтому при заданной конструкции РДТТ и-при неизменном кри-‘

тическом сечении сопла изменяются давление в камере, тяга дви: | - •

123

Состав JPN: нитроглицерина 43%, нитроцеллюлозы 51,5% (в том числе азота 13,25%); централйта 1%; прочих — 4,5°/о.

Состав Alt-161: перхлорат калия 76,5%; смесь нефтяного асфальтового битума и смазочного масла 23,5% по весу.

Состав перхлоратного пороха неизвестен.

гателя и период его работы. На фиг. 5.5 приведен график зависи­ мости тяги от времени для одного и того же двигателя, но при трех различных значениях начальной температуры заряда. Большим начальным температурам отвечает и большее значение тяги и давления в камере, но меньшая продолжительность работы двигателя.' О температурной чувствительности топлива судят не только по температурному коэффициенту, указанному ранее, но также и по относительному увеличению давления в камере при изменении начальной температуры топлива на 1°С. Для коллоид­ ных порохов увеличение давления в камере составляет 1,17—1,25% на 1°С, в то время как для сложных составных топ­ лив только 0,5% на 1°С и меньше.

124

Скорость горения составных твердых топлив зависит также от размера зерен окислителя. Опыт показывает, что чем крупнее зерна окислителя, тем меньше скорость горения при прочих рав­ ных условиях (фиг. 5.6). Это объясняется тем, что при гетероген­ ной структуре составных твердых топлив газовые потоки в зонах

подготовки не получаются строго гомогенными по концентрации горючего и окислителя; чем крупнее зерна окислителя, тем менее однороден состав перед зоной реакции горения.

Фиг. 5.6. Влияние размера частиц перхлората калия на скорость горения составного топлива:

централита).

Величина скорости горения современных составных топлив при давлении в камере 70 кг/см2 лежит в пределах

вуГор = 2,6 н- 13,0 мм/сек.

Скорость горения коллоидных порохов при давлении в ка­ мере . 100 кг/см2 по экспериментальным данным изменяется в пределах

'“'гор = 8ч-27 мм/сек.

125

§ 5:4. Э Р О З И О Н Н О Е Г О Р Е Н И Е

Мы рассмотрели простейший случай горения цилиндрическо­ го заряда твердого топлива с торцевой поверхности, обращенной к соплу. •;

Более сложный случай эрозионного горения соответствует та­ кому процессу, когда продукты сгорания движутся в сторону соп­ ла параллельно поверхности горения с некоторой, вообще говоря, переменной скоростью V. Наглядное представление о схеме эро­ зионного горения дает фиг. 5.7, где показан цилиндрический

Ф н г. 5.7. Эрозионное горение цилиндрического кольцевого заряда

кольцевой заряд с внутренней поверхностью горения. Чтобы ис­ ключить возможность горения торцевых поверхностей и внешней поверхности цилиндра (при наличии зазора между зарядом и корпусом двигателя), эти поверхности защищаются или брони­ руются. Бронирование поверхностей, на которых не должна воз­ никать реакция разложения, производится инертными материа­ лами (например, двухмиллиметровым слоем ацетилцеллюлозы, этилцеллюлозы и др.).

В кольцевом цилиндрическом заряде со сгоранием по внут­ ренней поверхности скорость газов имеет максимальное значение у выходного отверстия заряда. Как показывают расчеты и опыты,

ния топлива увеличивается. При больших значениях скорости га­ зов не исключена эрозия в буквальном смысле за счет увлечения газами твердых, размягченных или жидких частиц с поверхности.

Сама схема процесса эрозионного горения (фиг. 5.8) для про­

126

размерность сек/м.

Величина kv практически не зависит от давления и равна для кордита 32,8- 10-4 и для баллистита 9,8 ■КГ4.

Чем «холоднее» топли­ во, т. е. чем меньше темпе­ ратура Т * продуктов горе­ ния, тем шире вся зона ре­ акции и поэтому тем сильнее эффект эрозии.. Для «горячих» топлив (высокая Тк*) реакционная зона узка и влияние скорости V мень­ ше. Этим объясняется то, что для баллистита величина kv меньше, чем для кордита.

^нач

Фиг. 5.8 а. Влияние давления и скорости движения газов на

скорость горения

Если использовать выражение (5.11) для скорости горения при V = 0, то в общем случае скорость горения твердого топлива напишется в форме

На фиг. 5.8 а показано влияние скорости К газов на скорость горения, установленное опытами для составного топлива из пер­ хлората аммония (NH4CIO4), полиэфира и связующих веществ со средним размером'Частиц окислителя 24—30 мк и с весовой плот-

127

ностью топлива 1,62 г/см3. Температура продуктов сгорания со­

Влияние Тнач, /7к*и V на скорость горения требует принятия специальных мер для развития процесса в нужном направлении. Одной из серьезных мер является выбор формы поверхности го­ рения.

Фиг. 5.9. Топливный заряд с внутренней цилиндрической и конической поверхностями горения

При горении по внутренним поверхностям каналов топливно­ го заряда, как указывалось, скорость движения газов постепенно возрастает и достигает максимального значения у конца заряда, обращенного к соплу. Чтобы ограничить эффект скорости в необ­ ходимой степени, увеличивают проходные сечения каналов. На­ пример, вместо цилиндрического круглого отверстия делают ка­ нал коническим полностью или частично цилиндрическим и ча­ стично конусным (фиг. 5.9). Очевидно, в этом случае процесс

Фиг. 5.10. Изменение проходного сечения внутреннего канала по длине двигателя с учетом эффекта эрозии

вначале будет протекать с увеличением давления в камере и тя­ гой двигателя; затем, по достижении положения, обозначенного пунктиром, поверхность горения начнет уменьшаться и тяга дви­ гателя будет непрерывно падать. Этому будет способствовать и уменьшение влияния скорости газов, особенно во второй фазе процесса горения, когда проходные сечения канала резко воз­ растут.

На фиг. 5.10 показан другой пример топливного заряда с внутренней поверхностью горения в виде шестиконечной звез­ ды; здесь проходные сечения возрастают от закрытого конца к со-

128

"здесь

Как видно, давление в камере зависит от свойств топлива (Тг». kt, п, k , TK*,kv), от конструкции заряда (К) и от отношения по­ верхности горения топлива к критическому сечению сопла. Отно-

ного заряда.

_ Зная свойства топлива и форму заряда и выбрав отношение

./гор, можно определить давление в камере.

Впроцессе горения топлива в зависимости от формы заряда

иповерхностей горения может измениться величина поверхности горения и скорость горения, что окажет влияние на величину давления в камере. ,

§5.6. СХЕМЫ ГОРЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ

Взависимости от формы заряда и его начальной поверхно­ сти горения различают три основных схемы горения твердых топ­ лив:

Фиг. 5.11. Основные схемы горения:

/ —постоянная тяга; 2—регрессивное горение; 3—про­ грессивное горение; 4—участок свободного истечения (без горения)

1)горение с постоянной величиной.силы тяги Р (нейтральное горение);

2)регрессивное горение, когда в процессе горения сила тя­

ги постепенно уменьшается; 3) прогрессивное горение, когда в процессе горения сила тя­

ги постепенно увеличивается, достигая максимального значения к концу процесса горения.

Три указанные основные схемы горения схематически пред­ ставлены на фиг. 5.11.

130