4.2. Горение жидких топлив

С момента впрыска в камеру до полного преобразования в конечные продукты сгорания компоненты проходят путь сложных превращений. Рабочий процесс в камере должен обеспечить максимальную полноту сгорания с устойчивым протеканием всех физико-химических явлений.

Превращение топлива в продукты сгорания происходит постепенно. В результате распыла и дробления на форсунках компоненты образуют капли разных размеров. Из зоны горения поступает теплота. Капли нагреваются и испаряются, газообразное горючее и окислитель смешиваются и происходят экзотермические газофазные реакции горения. Если компоненты самовоспламеняются, то реакции горения начинаются уже при смешивании компонентов в жидкой фазе.

Промежуток времени от момента впрыска до полного преобразования топлива в продукты сгорания называется временем преобразования и является важной характеристикой ЖРД. Вся совокупность параллельно-последовательных физико-химических превращений топлива в ЖРД показана на рис. 4.1.

Характерным для ЖРД является отсутствие фронтовых стабилизирующих устройств (именно они обеспечивают устойчивость горения в камерах ВРД). Смесеобразование, воспламенение и стационарное горение в ЖРД происходит ввиду низких скоростей движения среды в зоне горения и переноса теплоты обратными потоками возле смесительной головки. Поэтому отсутствуют специальные устройства стабилизации пламени, в ЖРД циркуляция продуктов горения в зону подготовки топлива есть естественная стабилизация пламени.

Горение является гомогенным при химической неоднородности и существенной турбулентности в соответствии с процессом смесеобразования. Крупные капли могут сгорать по модели гетерогенного сгорания. Зона горения имеет большую протяженность ввиду действия крупномасштабной турбулентности и местных разрывов фронта пламени, но на расстоянии десятков миллиметров от головки можно выделить условный фронт пламени малой толщины, в котором и выделяется основная часть теплоты.

Существуют математические модели горения топлив в камере, но сложность протекания процесса требует привлечения экспериментальных данных. Объём камеры разделяют на зоны, как показано на рис. 4.2. Зона смесеобразования (ввод, распыление и предварительное смешение компонентов), прилегающая к смесительной головке, вообще недоступна математическому описанию. В сечении «О-О» рабочее тело (продукты сгорания) имеет параметры, близкие к параметрам заторможенного газа.

4.3. Горение твердых топлив

Горение твердых топлив есть последовательность процессов в соответствии со схемой рис. 4.3. После прогрева поверхностного слоя баллиститного топлива устройством запуска ДУ происходит газификация топлива, а в зоне горения экзотермические реакции приводят к формированию пламени с определенной для каждого топлива температурой. Принято, что механизм горения смесевых топлив индетичен рассмотренному, особенности проявляется в сложной последовательности превращения исходных частиц металла (А1): агломерация (укрупнение) на поверхности, воспламенение, вынос в газовую фазу, горение и движение в ней. Зерна окислителя на порядок больше частиц металла в горючем-связующем, заполняющем карманы между зернами. При прохождении фронта горения происходит слияние частиц, накопившихся в кармане, возникают агрегаты частиц, по размерам на порядок крупней исходных. Горение и движение этих агрегатов происходит с коагуляцией и распадом, состав продуктов сгорания может отличаться от рассчитанного по моделям равновесной термодинамики.

Механизм горения ТТ определяется условием теплообмена между потоком продуктов сгорания и поверхностью заряда, а также тепловыми эффектами в прогретом слое. Экспериментально установлено, что горит равномерно параллельно начальной поверхности заряда при условии однородности состава, а линейная скорость горения (скорость перемещения поверхности горения) зависит от давления, начальной температуры заряда ; скорости потока продуктов сгорания ; деформации заряда и перегрузки , действующей на ДУ:

Зависимости скорости горения от давления по обработке экспериментальных данных имеют вид:

, , , .

Обычно во внутренней баллистике РДТТ используют степенную зависимость , величины и определяют экспериментально в приборе постоянного давления и корректируют по данным стендовой отработки ДУ. Для смесевых и двухосновных топлив , а для баллиститных .

Снижение давления уменьшает скорость горения и при пороговом значении процесс становится неустойчивым или совсем прекращается. Для баллиститных топлив МПа, а для смесевых и двухосновных модифицированных МПа. Это объясняется тем, что при низких значениях давления скорость в экзотермических реакций в зоне горения уменьшается и времени пребывания элементарного объёма газа в корпусе ДУ недостаточно для завершения реакций – процесс горения прекращается. У смесевых топлив температура продуктов сгорания выше, скорости реакций больше и теплоты в поверхностном слое накоплено больше, поэтому смесевые топлива имеют существенно меньшее значение .

Неустойчивость горения может проявляться при и это связана с глубиной спада давления . Неустойчивое горение при снижении давления наступит, если время снижения этого давления меньше времени тепловой релаксации прогретого слоя топлива. За время релаксации принимают время сгорания слоя толщиной .

Время спада давления и условие неустойчивости горения примет вид .

Это явление в горении твердых топлив используется для прекращения горения заряда РДТТ, т.е. прекращения работы ДУ, Экспериментально установлено значение критического значения , гарантирующего надежное гашение заряда. Для смесевых топлив

ЛЕКЦИЯ 5

Теперь рассмотрим другие факторы, влияющие на скорость горения. Зависимость скорости горения от температуры заряда в диапазоне 243…343К

,

где - скорость горения при номинальной температуре К. Смесевые и модифицированные топлива имеют значения 1/К, а баллиститные - 1/6К.

Скорость горения зависит от скорости потока продуктов сгорания вдоль горящей поверхности, начиная с некоторого порогового значения. Исторически этот эффект называют эрозионным горением, хотя никакой эрозии топлива (исчезновения массы заряда дискретными частицами) не существует, просто увеличивается тепловой поток в поверхность топлива, а вследствие проводимости теплоты в заряде увеличивается толщина прогретого слоя и скорость горения увеличивается. Применяют эмпирические зависимости вида

где значения пороговой скорости и коэффициента устанавливается экспериментально. В практике двигателестроения этого явления стараются избежать и проектируют заряд такой формы, которая исключает обтекание горящей поверхности топлива с большими значениями скорости потока.

Зависимость скорости горения от деформации при растяжении заряда имеет вид

где величина коэффициента b близка к 1. Возникающие деформации приводят к образованию микротрещин в поверхностном слое заряда и скорость горения топлива увеличивается.

Скорость горения топлива увеличивается с ростом значения перегрузки , действующей на ДУ. В смесевых топливах агломераты алюминия прижимаются к поверхности и увеличивают толщину прогретого слоя топлива, в баллиститных топливах происходит интенсификация теплообмена от газовой фазы к поверхности топлива. Незначительное увеличение скорости горения происходит при больших значениях перегрузки ( ) и при создании РДТТ УБР это явление можно не учитывать.

Абсолютное значение скорости горения ТТ – очень важный показатель для УБР с РДТТ - он определяет возможные пределы времени работы маршевых ДУ и их геометрические размеры (коэффициент заполнения корпуса топливом). Значения скорости горения большинства ТТ в зависимости от состава и структуры в стандартных условиях (исторически сложилось в практике двигателестроения, что стандартными условиями для оценки ТТ в некотором условном двигателе считают МПа, МПа, К) находится в диапазоне 5...25 мм/с.