Особенности горения смесевых и металлизированных топлив РДТТ

Определение скорости горения.

1. Скорость горения твердых топлив всегда определяется экспериментально.

2. Находится зависимость U(Pк).

3. Определяется скорость после заливки основного заряда из которого в специальном месте делаются вырезки.

4. Из вырезок изготавливаются цилиндрические образцы.

5. Образцы бронируются по боковой поверхности цилиндра и одному из торцов. Бронирование – процесс нанесения несгораемого вещества (эпоксидной смолы) на поверхности с целью исключения их из процесса горения заряда.

6.???????? торцевая поверхность обеспечивает горение с постоянным по времени законом S(t) = const.

7. Образцы поочередно помещаются в бомбу – постоянного давления (давление задается).

8. Длина выгорания фиксируется либо по?диаграмме? Р(t), либо по перегорающим константам.

9. Скорость определяется делением (при Р)

10. Строится зависимость U(Р) и определяется b и n.

Другие факторы, влияющие на скорость горения:

1. Деформации заряда.

2. Перегрузки.

3. Особенности 2х составных зарядов.

4. Нестационарность

Процесс горения смесевого топлива также как и баллиститного состоит из нескольких стадий с тепловыделением и нарастанием температуры.

1. Первая стадия – это термическое разложение компонентов, которое подчиняется закону Аррениуса.

2. Температуры поверхности окислителя и горючего, а также энергии активации окислителя и горючего в СТТ не????отличаются????

3. Если считать, что термическое разложение приводит к газификации топливных компонентов окислителя и горючего, то можно рассматривать эту систему как двухсоставной заряд.

4. В силу отличия составов окислителя и горючего, а также наличия несовпадения параметров в комплексе с вероятностной природой расположения их друг относительно друга, такого описания процесса?????? нет. НО!

5. Есть модели:

а) модель постоянного диффузионного пламени Нахбара – Паркса.

б) модель базирующаяся на нескольких типах пламени первичного 1 – пламя ПХА

как монотопливо, вторичного 2 – пламя БК совместно ПХА и конечного

3- диффузионного.

6. Наиболее ходовой является модель гранулярно-диффузионного пламени Самерфильда.

7. Согласно этой одномерной модели горение происходит в тонкой зоне диффузионного пламени, при 7777ющей и твердой поверхности, на которой идут реакции сублимации или гидролиза.

8. Продукты термического разложения горючего и окислителя образуется в виде отдельных объемов (карманов), величина которых определяется массой кристаллов окислителя, и затем сгорает.

9. На этой стадии процесс преобразования твердого топлива скорость горения определяется диффузионным смешением и кинетикой химических реакция. Модель хороша при ПХА+БК.

10. При наличии металла в СТТ ® Al процесс горения осложняется.

11. Разработаны модели горения Al в продуктах сгорания ПХА+БК и других пар.

12. Наиболее правдоподобна модель Шевдока В.И.

13. Вокруг частицы Al создается зона горения, в которую поступают радикалы Al AlO, AlH… и газообразные продукты сгорания ПХА и БК, содержащие кислород.

  Аl

Аl O₂ ПХА+

БК

14. При сгорании Al в О₂ образуется Al₂O₃ в виде частиц

2Al+3O₂=2Al₂O₃

15. Частицы Al₂O₃ частично выпадают на поверхность исходного горения Al, образуя формы:

полость

а частично улетают в поток в виде мелкодисперсных капель.

16. Реализуется два механизма образования частиц: гомогенный (мелкая фракция) и гетерогенный на частицах Al (??????? фракция)

g

1мкм 6мкм d

17. Спектр распределения частиц d и модель……………………….

Лекция 4

Тема 4. Основные уравнения внутренней баллистики РДТТ. (44)

-Расчет давления в камере сгорания в приближении сосредоточенных параметров;

-Устойчивость стационарного рабочего процесса в РДТТ;

-Расчет давления в камере сгорания РДТТ с учетом изменения параметров по тракту двигателя;

-Расчет тяги, удельного и суммарного импульса РДТТ;

-Разброс параметров РДТТ и методы компенсации разброса.

Расчет давления в камере сгорания в приближении сосредоточенных параметров.

1. Давление в камере сгорания Рк является определяющим при расчете других важных параметров.

2. Наиболее просто решается задача определения давления для стационарного режима работы, когда параметры равномерно распределены по всему объему камеры. Они сосредоточены в некоторой, отдельно взятой точке камеры и не изменяются при переходе в другую точку.

3. Любые локальные параметры в объеме – одинаковы и не зависят от расположения.

4. Считается, что скорость движения в камере равна нулю и справедливо соотношение: газоприход = расходу газа через сопло:

5. Из термодинамических расчетов для истечения через сопло известно:

,

где Рк - давление в камере [атм];

Fkp-площадь критического сечения [м²]

G-расход, [кг/c]

6. Термодинамический параметр β - расходный комплекс засчитывается как:

, [c]

7.Для определения величины давления в камере сгорания запишем с учетом размерностей:

8. Размерности: в - коэффициент, -_ _ _ _ _кг/м²; Рк - кг/см²; U – мм/с; Fкр- S_T; - _ _ _ с = _ _ _ _ м/с; Т_к –К; g=9,81м /с².

9. Получаем

- уравнение Бора

10. Если считать, что в = const, для данного вида топлива, то параметр для топлива …8 получаем:

11. Для определения величины давления по геометрическим параметрам получаем параметр для …8

Размерность коэффициента такой же, как у.

12. Другими словами: все определяется отношением площадей поверхности горения и площади критического сечения сопла.

13. Термодинамические характеристики для продуктов сгорания различных топлив весьма консервативны и практически не изменяются в широком диапазоне.

Устойчивость стационарного процесса в РДТТ.

1. Устойчивость стационарного процесса – это такой режим горения, при котором при малых изменениях параметров, приводящих к относительных давлений, процесс горения не переходит в стадию неустойчивости.

2. Другими словами малые отклонения не растягивают процесс, а внутренние процессы приводят его в первоначальное стабильное состояние.

3. При обратном утверждении – процесс неустойчив.

4.Неустойчивость в РДТТ сопровождается колебаниями давления в камере сгорания, вибрациям, которые могут привести к разрушению двигателя.

Для ЖРД

; =;

в итоге падает давление?

Для РДТТ

; =;

в итоге падает давление

Кривая выгорания соответствует кривой распределения температур:

- время запаздывания.

Для ЖРД более явно)

Б_псл -толщина прогретого спая.

5. Существуют два вида неустойчивости:

а) неустойчивость в отрасли низкого давления, при котором возникают колебания давления с частотой, близкой к собственной (акустической) частоте колебаний газа в камере сгорания.

б) акустическая неустойчивость, при которой возникают колебания давления с частотой, близкой к собственной(акустической) частоте колебаний газа в камере сгорания.

6. В настоящее время пополнен большой экспериментальный и теоретический материал по устойчивости: НО парного колебания пока нет.

7. Практически всегда теоретический анализ проводится в линейном приближении.

8. НО! Процессы в камере существенно нелинейные.

9. О стабильности горения можно судить по давлению Р(τ)

10. Линейное приближение предполагает мягкое возбуждение процесса неустойчивости.

11. Как правило при линейном подходе колебания синусоида

12. При нелинейном подходе – возбуждение жесткое колебания могут быть в виде солитонов.

Низкочастотная неустойчивость.

1. При давлении в камере ниже некоторой границы процесс работы РДТТ становится неустойчивым.

Давление падает – заряд загасает.

2. Заряд может воспламениться за счет акуммулированного конструкцией тепла и вновь загаснуть – аномальное горение.

3. Это связано с инерцией с инерцией прогретого спая при быстроменяющемся давлении в камере сгорания.

4. Низкочастотная неустойчивость поступает при условии -критическое отношение времен релаксации камеры двигателя и времени релаксации прогретого спая топлива.

5. Эксперименты показывают, что для критических условий - одного порядка.

6. В общем случае критическое отношение времен релаксации может быть найдено из системы нелинейных уравнений:

- уравнение расхода;

- уравнение энергии;

7.К этим условия добавляются граничные условия.

8. Уравнения в общем виде связывают скорость горения и температуру поверхности.

9. Решается система численно.

10. Вводится понятие малого отношения параметра; V= (суммируем по m,n,z) m,n,z-целые числа; - функция Бесселя; *

10. Здесь Г,R – текущий размер и радиус камеры сгорания. Х,L – текущая длина и длина камеры сгорания.

11. Члены с n=m=0 и z – продольные моды

n=z=0 m - радиальные моды;

m=z=0 и n - тангенсальные моды;

12. Из * можно получить, что для коротких камер сгорания - наиболее низкая частота соответствует первой тангенсальной моде. – соответствует первой тангенсальной моде. Для длинных камер: - соответствует основной продольной моде.

13. Если не учитывать взаимодействия звуковых волн с процессами горения, то в коротких камерах сгорания прежде всего должны возникать тангенсальные колебания,а затем продольные, так как с увеличением частоты колебаний растут акустические потери.

Основные мероприятия по преодолению акустической неустойчивости.

1. Выбор формы топливного заряда, который может снизить неустойчивость.

2. Выбор оптимальной формы камеры сгорания, которая определяет частоту собственных колебаний.

3. Эффективное использование различных мероприятий, направленных на увеличение потерь колебательной энергии(резонансные поглотители, диафрагмы и т.п)

4. Важнейшим фактором увеличения рассматриваемых потерь является наличие n-форм.

5. Геометрия входной части сопла также влияет на акустическую усталостность.

Лекция 5

Расчет давления в камере с учетом изменения параметров по тракту двигателя.

1. От сложности профиля заряда существенно зависит статическое давление по длине.

F =; F(x) Запои площади

2. Известны газодинамические функции давления и расхода.

= (1- *; = (* (1- * * λ;

Здесь, - статическое и полное давление;, - текущая площадь и критическая площадь; к – показатель адиабаты и безразмерная λ =.

3. В момент тоже найдем соотношение

= (* = [ *У*()

4. Найдем У: = (* (* λ₁ откуда У = неявная зависимость от.

5. Таким образом, зная запои площади, в каждом сечении определяем статическое давление. Возможно определить Р = ƒ(х)

Потери полного давления по тракту камеры сгорания и каналу заряда.

1. Потери полного давления в камере сгорания и по каналу заряда определяются по аналогии с течением по тракту движения жидкости в трубе с преградами.

2. Считается справедливыми гидродинамические соотношения, полученные на воде и газах и выраженные в виде электрических зависимостей. Возможно в первом приближении использовать гидродинамический справочник Шдельгина.

Местные сопротивления.

1. Внезапное расширение потока приводит к потере полного давления:

Формула Дарси-Вейсбаха Δ = ρ = [1-(

2. Другая формула: ΔЕ = ξ, ΔЕ – потеря кинетической энергии: после преобразований = 1- ξ; ξ – коэффициент потерь посчитаной таблицы.

3. Потери в цилиндрическом потоке:

U = U₁Р^VУ(λ); λ – местная скорость газа.

Из гидравлики известно: dL_тр = ξ →можно получить→ - 1) = ξ.

Обычно пишут Δ = – формула трения.

4.

Потери в предсопловом объеме: ξ = 0,15;

5. Для q(λ) можно записать

q(λ₂) =.

6. Слияние двух потоков:

Волна

Потери полного давления могут быть определены по аналогии → ξ

7. В итоге полное давление по длине падает. При этом энтропия возрастает

S₂ – S₁ = R lnσ; σ =

Расчет тяги, удельного и суммарного импульса.

Тягой ракетного двигателя является равнодействующая всех сил, приложенных к нему во время его работы. Это внутренние силы продуктов сгорания и внешние со стороны окружающей среды.

1. Тяга определяется после интегрирования уравнения импульса в виде:

R = G*W_a+P_a*F_a – P_н*F_a = G*W_a+ F_a*(P_a – P_н);

2. Тяга в пустоте P_н = 0

R_п = G*W_a + P_a*F_a;

3. Тяга на расчетном режиме P_a = P_н

R_р = G*W_a;

4. Тяга на высоте иногда записывается:

R_н = G*W_эф,

где W_эф = W_a+ * F_a

Удельный импульс тяги.

1. Это одно и то же, что удельная тяга R_уд.

2. Это основной параметр, характеризующий энергетику. Для пустоты:

R_{уд п} =

Мт – масса топлива.

3. При постоянстве P_k(τ) = const и пр.

Запишем: R_{уд п} =

G – расход.

4. R_{уд п} = W_a + = W_a *;

В критике = = 1 – очковое сопло.

Тогда: R_{уд п кр} = W_кр + *П_кр

R_{уд п кр} = а_кр + β* П_кр

W_кр = а_кр =; β = и П_кр = (

5. Частный случай:

R_{уд п кр} = а_кр*(1+)

R_{уд п кр} = β*(к+2)* П_кр

6. Уравнение для пустотного удельного импульса тяги преобразует, домножив и поделив его на величину удельного импульса очкового импульса:

R_{уд п} =

7. После преобразований получаем:

R_{уд п} = β*(к*П_кр*λ_а + П_а*) Обозначим ξ =

8. Аналогично можно получить:

ξ =; η = ξ =; θ = ξ =

[β] = [ ] = [ ] =

ξ,η и θ – газодинамические функции (Г/Д)

9.

10. Функции ξ,η и θ – характеризуют сопло.

11. β, а_кр, - характеризуют камеру – (Т/Д)

12. Формулы с разделяющимися переменными зависящими только от камеры и только от сопла:

R_уд = ξ*β; R_уд = η* а_кр; R_уд = θ*.

13. Представление формул для удельного импульса тяги в таком виде удобно, например, при определении потерь удельного импульса, отдельно камерных и отдельно сопловых:

ζ =

Суммарный импульс тяги.

1. Суммарный (для простоты пустотный) импульс определяется как интеграл тяги по времени:

I_Σ =

2. С учетом предыдущих выкладок (R_{уд п} = ξ*β)

I_Σ =

3. При ξ и F_кр = const

I_Σ = ξ * F_кр * и его можно вычислить после интегрирования кривой

4. Можно записать и по другому для постоянных значений R_уд, то есть для I_{Σ ном}

I_{Σ ном} = R_{уд ном}* = R_{уд ном}*М_т

5. По отношению к номинальному суммарному импульсу можно судить об эффективности заряда твердого топлива.

I_Σ = I_{Σ ном}*

6. ном. – номинальное, заданное в ТЗ

Разброс параметров РДТТ и методы компенсации разброса.

Как видно из предыдущих выкладок о разбросе параметров РДТТ можно судить по разбросам значений давления в камере сгорания. И тягу и суммарный импульс тяги и расход и другие параметры можно выразить через давление в камере Р_к.

1. ВБХ РДТТ в различных условиях имеют заметные отличия из-за разброса геометрических характеристик, типичных свойств, начальных температур зарядов и др.

2. Практически важным является уровень предельных отклонений, который влияет на надежность.

3. Выполняя зависимость

Р_к = (

4. Прологарифмируем эту зависимость

lnP_k =

5. Возьмем от Р_к логарифмическую производную и построим вручную в виде относительных приращений. Здесь Y_c – коэффициент сопла.

6. Полученные относительные разбросы характеризуют в соответствии с правилами теории вероятностей, можно записать через среднеквадратическое отклонение (СКО)

S δ:

7. По среднеквадратическому отклонению и аппарату теории вероятности можно вычислить и другие параметры, необходимые для надежности РДТТ.

8. Об этом подробно вам будут читать лекции на 5^м курсе.

Лекция 6

Тема 5 Основные типы зарядов РДТТ и методы расчета выгорания зарядов (2ч).

- Связь геометрии зарядов с характеристиками РДТТ;

- Основные типы зарядов РДТТ и область их применения;

- Геометрический метод расчета выгорания зарядов;

- Применение ЭВМ к расчету выгорания зарядов.

Связь геометрии зарядов с характеристиками РДТТ.

1. Геометрия зарядов определяет форму поверхности горения, от которой оттекают газообразные продукты сгорания.

2. В основе расчетов давления в камере сгорания лежит соотношение между поверхностью горения и площадью критического сечения сопла: Р_к = В (; В и V – константы.

3. Поскольку площадь критического сечения сопла практически всегда задана, то остается подобрать такую поверхность горения, которая соответствовала бы заданному давлению или закону изменения давления.

4. Выбрать форму заряда – это искусство. Обычно, с целью сохранения параметров стараются выбрать такую форму, чтобы кривая давления была постоянной от времени.

5. Часто требуется для сохранения постоянства тяги спегральные законы: Р = G* + F_a(P_a – P_н). Расчетный режим работы сопла предполагает постоянство (P_a – P_н), тогда, если с высотой полета уменьшается Р_н, то Р_а тоже должно уменьшаться. Кривая должна быть дегрессивой.

6. Многорежимные двигатели, предполагающие форсаж, должны иметь прогрессивную форму.

7. Таким образом режим определяется площадью горения заряда Р_к~; для сухого из топлив Р_к~. Это означает, что изменение давления происходит медленнее, чем изменяется площадь.

8. В зависимости от назначения заряды бывают различными. Они могут сильно отличаться по форме и по размерам. Например, заряд двигателя первой ступени во много раз по габаритам превышает заряд сигнальной ракеты:

Основные типы зарядов РДТТ и область их применения.

1. РДТТ применяются во всех классах современных ракет военного назначения.

2. Они используются в народном хозяйстве.

3. Ракеты малых тяг (РДМТ) имеют тягу от 0,01 Н до 1,6 кН.

4. Тяга двигателей с диаметром 3; 4,5; 6,5 достигает МН.

5. По выполняемым функциям двигатели различают на:

- создающие тягу;

- создающие управляющие усилия и моменты;

- двигатели для экспериментальных и технических целей.

6. Каждый из двигателей предпочитает свою форму зарядов.

7. Заряд проектируется и далее обрабатывается с учетом минимальных габаритных размеров двигателя. Предельный диаметр, предельная длина.

8. Очень важен параметр заполнения двигателя. Должно быть как можно меньше пустых полостей. Коэффициент заполнения.

9. По способу снаряжения в камеру сгорания РДТТ заряды могут быть двух типов: вкладные и скрепленные с корпусом. (Прогноскрепление).

10. Вкладной заряд после приготовления помещается в корпус двигателя и закрепляется в нем различными способами в зависимости от конструкции.

11. ВЗ может быть выполнен в форме моноблока или состоять из нескольких шашек трубчатого стиля.

12. Поверхность вкладного заряда, не предназначенная для горения, может быть забронирована путем нанесения бронирующего покрытия.

13. Моноблочный заряд может быть безканальный или иметь центральный канал в виде глазного цилиндра, многолучевой звезды и др.

14. Заряды вкладного стиля используются в основном в двигателях систем ближнего боя тактических и некоторых видов оперативно-тактических ракет.

15. Они широко применяются в газоренераторах, аккумуляторах давления, двигателях специального назначения, а так же ракет космического назначения.

16. Прочноскперленный заряд изготовляется методом заливки топливной массы непосредственно в корпусе РДТТ.

17. Скрепление заряда с корпусом осуществляется при помощи спиральных защитно-крепящих слоев (ЗКС).

18. Крепящий состав до полимеризации представляет собой жидкую комбинацию, состоящую из оптомера с наполнителем.

19. В качестве защитного слоя используют двухслойный материал, состоящий из резины, армированной астболавсановой или капроновой нитью.

20. Конструкция или форма заряда, размеры, тип топлива и его масса выбираются из условия обеспечения заданных внутрибаланстических, энергетических и эксплуатационных параметров, уровня нагрузок, особенностей нахождения изделия в предстартовый период и функционирования в полете.

21. Реальные двигатели, как правило, имеют сложную форму. Первая ступень Минитмен имеет заряд из двух частей, одна из которых звездообразная.

22. Вторая ступень Трайдент имеет щелевой участок называемый сопловым блоком (МБР-межконтинентальной ракеты).

23. Широкое применение находят заряды малого удлинения. Для таких зарядов … каналы не эффективны. Используют глухой канал.

24. Заряд также может содержать щели, проточки, звезды, конусы, цилиндры, открытые торцы.

25. Коэффициент заполнения двигателей топливом может достигать 0,94 … 0,96.

26. Часто применяются в апогейных двигателях.

Геометрический метод расчета выгорания зарядов.

1. Задача выгорания зарядов сводится всегда к геометрической, целью которой является нахождение площадей поверхностей горения на каждом своде.

2. Сводом (е) будем называть элементарное линейное продвижение поверхности заряда по отношению к предыдущей поверхности по направлению нормали к ней.

3. В виду сложности форм зарядов РДТТ не всегда, а весьма редко можно получить зависимость S(e) аналитически, то есть в конечном виде.

4. Характерные виды разгаров зрядов:

А) Разгар плоскости: поверхность последующего слоя всегда параллельна предыдущей поверхности.

Б) Разгар цилиндра и сферы: поверхности не меняют формы и они эквивалентны.

В) Разгар внешнего угла: ломаная поверхность эквивалентно перемещается относительно предыдущей.

Г) Разгар внутреннего угла: эквивалентная поверхность формируется из набора плоскостей и цилиндров. Если тело осесимметричное, то из набора цилиндров и торов.

Д) Разгар вблизи стенки: при достижении стенки (бронировки) кривая разряда обрывается. Как правило угловые эффекты не учитываются.

Е) Разгар двухсоставного заряда: внимание! Требуется специальная методика, учитывающая взаимное выгорание зарядов. Задача из геометрической превращается в физическую.

Два вида зарядов, дающих точное решение с постоянной во времени поверхностью горения.

1. Торцевой заряд твердого топлива. Все поверхности цилиндрического заряда забронированы кроме одной торцевой. S₀ = В этом сечении S₀ = S_i = const. Значит Р_к = const и не зависит от времени.

2. Заряд параллельного горения. Это параллельный цилиндрический заряд, бронированный по торцам: S₀ = π(d₀ + D₀)*L₀; d = d₀ + 2Uτ; e = Uτ. D = D₀ - 2Uτ; L = L₀. S = π(d + D)*L = π(d₀ + 2Uτ + D₀ - 2Uτ) *L₀ = π(d₀ + D₀)*L₀ = S₀; S = S₀ ―› Р_к = const.

3. Разновидность - коаксиальный заряд. Это заряд, состоящий из двух коаксильных цилиндров с бронированными торцами и боковыми поверхностями.

4. Все остальные заряды:запальные, звездообразные, с щелями, …, … … по времени поверхности горения.

5. В реальности заряды подбираются по прототипам, а потом мучительно отрабатываются.

Применение ЭВМ к расчету выгорания зарядов.

1. Расчет на ЭВМ постоянно сопровождает процесс проентирования зарядов.

2. Существуют различные способы расчетов. По многом они стремятся на апроксимации. Сложные элементы заменяются цилиндрами, сферами, плоскостями. Такие расчетные методы дают существенную погрешность.

3. М. П. Филимонов разработал программу ГЕОМЕТРИЯ, где решил задачу точно.

4. Программная геометрия позволяет решать задачу выгорания практически многих осесимметрических зарядов.

5. Поверхность заряда антромиксируется мелкими треугольниками, что дает возможность описать любые формы.

6. Программа позволяет преодолевать особенности конструкции.

7. Она учитывает взаимное влияние заряда и камеры сгорания. При необходимости учитывает все эффекты горения (эрозионное…)

8. Основные достижения программы – это завис S(e).

Точное проектирование зарядов (ТПЗ)

1. ТПЗ – базируется на программе геометрия.

2. Разработана новая программа МК-геометрия.

3. Новая программа основана не на методе погашения дефицита горящей поверхности.

4. По кривой выгорания S(e) выстраивается кривая дефицита ∆S = (S_(e) – S₀). (прототипа)

5. Строится коррелирующая зависимость с применением цилиндрической поверхности ∆S(e) = πdx

6. Заряд далее коррентируется – добавляется – изымается часть заряда.

Дата добавления: 2014-01-07