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.