Способ определения скорости горения твердого топлива в потоке газа
METHOD FOR DETERMINING COMBUSTION RATE OF SOLID FUEL IN GAS STREAM

Изобретение относится к области авиационного и ракетного двигателестроения и может быть использовано при исследовании рабочих процессов в прямоточных воздушно-реактивных (ПВРД) и гибридных ракетных двигателях (ГРД) в условиях стендовых испытаний.
Скорость горения заряда твердого топлива (ТТ) в потоке газообразного окислителя (в условиях ГРД) или в потоке воздуха (в условиях ПВРД) является одним из основных параметров при расчете энерготяговых характеристик двигательных устройств данного класса. В соответствии с современными представлениями скорость горения ТТ (закон скорости горения) определяется следующей зависимостью [1, 2]:
где u - скорость горения заряда ТТ, м/с;
2
- плотность потока окислителя в обтекающем потоке, кг/(м⋅с);
ок
3
ρ - плотность окислителя в обтекающем потоке, кг/м;
g
u - скорость газа в обтекающем потоке, м/с;
А, n - безразмерные константы для конкретного типа ТТ и окислителя.
Теоретическое определение зависимости (1) в настоящее время не представляется возможным [1, 2]. В связи с этим экспериментальное определение закона скорости горения (1) является необходимым этапом при разработке ПВРД и ГРД.
Известен способ измерения скорости горения твердого топлива при квазистационарном давлении в камере сгорания [3, 4]. Цилиндрический образец ТТ заданной длины сгорает в атмосфере инертного газа. Давление в камере сгорания поддерживается на определенном уровне. Скорость горения определяется как отношение длины образца ко времени горения, а давление как среднеинтегральное значение.
Известен способ измерения скорости горения заряда ракетного двигателя твердого топлива по показаниям датчиков виброускорения, установленных на корпусе двигателя. По величине толщины резонансной частоты на данном масштабе и ее изменениям судят о скорости горения [5].
Известен способ определения массовой скорости горения ТТ в потоке окислителя, подаваемого во внутренний канал цилиндрического заряда ТТ, размещенного в камере сгорания с сопловым блоком [6]. Способ основан на измерении убыли массы заряда за время его горения путем взвешивания заряда до и после огневых испытаний. По измеренной таким образом средней массовой скорости горения определяется закон скорости горения (1), с учетом геометрических характеристик заряда.
Недостатком данного способа является невозможность определения динамики изменения скорости горения ТТ в процессе огневых испытаний и зависимости скорости горения ТТ по длине заряда.
Известен способ динамического измерения массовой скорости газификации ТТ с помощью резонаторного датчика, основанный на использовании микроволнового излучения [7, 8]. При обдуве потоком газа канального образца ТТ, помещенного в резонаторную полость коаксиального СВЧ-датчика, унос массы ТТ за счет горения приводит к изменению резонансной частоты датчика. Временное разрешение датчика (~0.1 мс) позволяет измерять нестационарную скорость горения ТТ. Данный способ обеспечивает возможность времяразрешенного измерения скорости горения ТТ в заданном сечении заряда. Однако как показано в [9], в процессе горения заряда ТТ в ГРД скорость горения существенно изменяется по длине заряда.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ определения средней скорости горения заряда ТТ в потоке газообразного окислителя [10]. Исследовалось горение ТТ в виде цилиндрического канального заряда в модельной секционной камере сгорания с сопловым блоком. Обдув заряда осуществлялся горячим воздухом от подогревателя. Секционная камера позволяла исследовать удлиненные заряды. Средняя скорость горения по длине заряда определялась обмером диаметра канала заряда после испытаний.
Недостатком данного способа является сложность и трудоемкость подогрева воздуха до температур выше 700 К, что не позволяет исследовать ТТ с высокой температурой воспламенения. Кроме того, данный способ не позволяет определять динамику изменения скорости горения в процессе эксперимента.
В рассмотренных способах для получения установившегося режима горения необходимы специальные меры по воспламенению (розжигу) поверхности канала ТТ с помощью дополнительных воспламенительных устройств (предварительное зажигание пропана, подаваемого из отдельного баллона в канал заряда ТТ).
Техническим результатом настоящего изобретения является определение скорости горения ТТ в потоке нагретого газа (зависимости скорости горения заряда ТТ по его длине и от времени горения), расширение температурного диапазона обдувающего газа и обеспечение надежного зажигания образцов с высокой температурой воспламенения.
Технический результат изобретения достигается тем, что разработан способ определения скорости горения твердого топлива в потоке газа, включающий измерение толщины сгоревшего свода цилиндрического одноканального заряда твердого топлива, размещенного в камере сгорания с сопловым блоком, при подаче нагретого газа с заданными значениями температуры и плотности потока окислителя. Нагрев газа, подаваемого в канал заряда твердого топлива, осуществляют путем смешивания воздуха с продуктами сгорания твердотопливного газогенератора. Зажигание твердого топлива в канале заряда осуществляют продуктами сгорания кольцевой вставки из легковоспламеняемого твердого топлива, установленной со стороны головной части заряда твердого топлива. Измерение толщины сгоревшего свода по длине заряда в процессе горения осуществляют осевым возвратно-поступательным перемещением кольцевого микроволнового резонаторного датчика. Скорость горения твердого топлива, скорость перемещения датчика, расход воздуха, расход продуктов сгорания газогенератора и толщину кольцевой вставки определяют в соответствии с соотношениями
где u - скорость горения твердого топлива, м/с;
t - время горения заряда твердого топлива, с;
х - расстояние от переднего торца заряда твердого топлива, м;
д
u - скорость перемещения кольцевого резонаторного датчика, м/с;
N - количество измерений скорости горения твердого топлива в каждом сечении заряда за время его горения;
е - толщина горящего свода твердого топлива, м;
L - длина заряда твердого топлива, м;
B
G - массовый расход воздуха, кг/с;
ок
2
g - заданная плотность потока окислителя на входе в канал заряда твердого топлива, кг/(с⋅м);
кан
2
S - площадь проходного сечения канала заряда, м;
p
G - массовый расход продуктов сгорания газогенератора, кг/с;
рв
С - удельная изобарическая теплоемкость воздуха, Дж/(кг⋅К);
см
Т - заданная температура смеси воздуха и продуктов сгорания газогенератора, К;
в
Т - температура воздуха, К;
рр
С - удельная изобарическая теплоемкость продуктов сгорания газогенератора, Дж/(кг⋅К);
р
Т - температура продуктов сгорания газогенератора, К;
h - толщина кольцевой вставки, м;
вст
u - скорость горения кольцевой вставки, м/с;
вст
t - время горения вставки, определяемое экспериментально из условия надежного зажигания конкретного твердого топлива, с.
Сущность изобретения поясняется схемой установки (Фиг. 1), на которой реализован способ определения скорости горения ТТ в потоке нагретого газа. Установка включает в себя цилиндрическую камеру сгорания 1, изготовленную из диэлектрического материала, например, из кварца, керамики и т.п. В камере сгорания 1 находится исследуемый канальный заряд ТТ 2, шайба 3 для формирования потока газа в канале заряда и кольцевая вставка 4 из легковоспламеняемого топлива. Камера сгорания закрыта крышкой 5 с соплом. Кольцевой резонаторный датчик 6 установлен на внешней стороне камеры сгорания 1 и может перемещаться вдоль заряда ТТ 2 при помощи возвратно-поступательного механизма (на Фиг. 1 не показан). Нагретый газ в камеру сгорания 1 подается из смесителя 7, имеющего рассекатель струй газа 8 и сетчатую диафрагму 9. Воздух в смеситель 7 подается из баллона 14 через редуктор 15, управляющий клапан 16 и калиброванную диафрагму 17. Давление подачи воздуха контролируется манометром 18. Подогрев воздуха в камере смешения 7 осуществляют путем его смешения с продуктами горения заряда твердого топлива торцевого горения 11 в газогенераторе 10, имеющем сопло 13. Заряд 11 воспламеняют пиротехническим воспламенителем 12. Давление в камере сгорания газогенератора 10 измеряют датчиком давления 20. Параметры газа перед входом в канал исследуемого заряда измеряют термопарой 19 и датчиком давления 21.
Реализацию способа осуществляют следующим образом. Канальный образец исследуемого ТТ 2, бронированный по боковой поверхности, вместе с шайбой 4 и кольцевой вставкой 3 плотно вставляют в камеру сгорания 1 и закрывают крышкой 5 с соплом. Открывают клапан 16 подачи воздуха. При помощи редуктора 15, сменной калиброванной диафрагмы 17 и манометра 18 устанавливают заданный расход воздуха. Затем с помощью воспламенителя 12 зажигают заряд торцевого горения 11 газогенератора 10. Горячие продукты сгорания через сопло 13 поступают в смеситель 7, где перемешиваются с воздухом и через сетчатую диафрагму 9 поступают в камеру сгорания 1. Горячий газ поджигает кольцевую вставку 3, продукты горения которой воспламеняют поверхность канала исследуемого ТТ 2. После сгорания кольцевой вставки 3, горение исследуемого ТТ протекает в потоке смеси воздуха с продуктами горения газогенератора 10. Давление в газогенераторе 10 и воздуха перед калиброванной диафрагмой 17 выбирают такими, чтобы обеспечить сверхкритический режим истечения продуктов горения газогенератора через сопло 13 и воздуха через калиброванную диафрагму 17, что исключает их взаимное влияние на расходные характеристики.
Массовый расход газа через канал исследуемого образца ТТ равен сумме расходов воздуха и продуктов горения газогенератора 10. Температуру и давление газа в камере сгорания 1 измеряют термопарой 19 и датчиком давления 21, а изменение толщины горящего свода (линейную скорость горения образца ТТ) измеряют кольцевым резонаторным датчиком 6. Перемещение кольцевого резонаторного датчика 6 вдоль горящего канала ТТ с помощью возвратно-поступательного механизма позволяет измерять скорость горения ТТ по длине канала и во времени.
Достижение положительного эффекта изобретения обеспечивается следующими факторами.
1. Использование продуктов горения твердотопливного газогенератора с зарядом торцевого горения для нагрева воздуха, подаваемого в канал исследуемого образца ТТ, позволяет варьировать температуру газовой смеси в широких пределах, т.к. температура продуктов горения газогенератора может достигать 3000 К. Заряд торцевого горения обеспечивает близкий к постоянному расход газа, а известные теплофизические параметры продуктов горения и воздуха позволяют рассчитать теплофизические параметры газовой смеси по соотношению расходов компонентов.
2. Использование кольцевой вставки из топлива с низкой температурой воспламенения, расположенной в передней части заряда ТТ, позволяет зажигать образцы из трудновоспламеняемого ТТ. При обдуве образцов ТТ газовыми смесями при низкой температуре, инициирование кольцевой вставки может осуществляться другим способом, например, пиротехническим воспламенителем.
3. Измерение толщины горящего свода при помощи кольцевого резонаторного датчика позволяет получать значения скорости горения ТТ в реальном времени, а возвратно-поступательное перемещение датчика вдоль образца ТТ позволяет получать распределение значений скорости горения по длине канала заряда по соотношению (2).
4. Выполнение соотношения (3) позволяет N раз просканировать длину заряда ТТ кольцевым резонаторным датчиком и измерить значение скорости горения N раз в каждой точке по длине заряда.
ок
ок
p
B
ок
ок
5. Заданная плотность потока окислителя в канале заряда gопределяет требуемый расход воздуха. Массовая доля окислителя (кислорода) в воздухе равна 0.232. Расход воздуха определяется соотношением (4), поскольку g=0.232 G, a G=1/0.232 g=4.31 g.
6. Средняя температура смеси газов определяется из закона сохранения энтальпии до и после смешения газов:
где теплоемкость газовой смеси определяется соотношением [11]:
см
Подставляя (8) в (7), можно получить соотношение (5) для требуемого расхода продуктов горения газогенератора для найденного по (4) значения расхода воздуха и заданной температуре газовой смеси Т:
вст
7. Для надежного воспламенения заряда ТТ время воздействия дополнительного теплового импульса t определяется экспериментально для заданных условий эксперимента, а толщина кольцевой вставки определяется соотношением (6).
Пример реализации
кан
см
-4
2
-3
В качестве примера реализации заявляемого способа определения скорости горения твердого топлива рассмотрим горение образца ТТ из полиэтилена диаметром 0.02 м, длиной L=0.1 м и начальным диаметром канала 0.01 м (S=0.7854⋅10 м) в потоке нагретого газа при заданном давлении р=0.5 МПа. Образец помещают в цилиндрическую камеру сгорания, выполненную из кварцевого стекла с толщиной стенок 3⋅10 м. Кольцевой резонаторный датчик располагают на внешней стороне кварцевой трубки.
см
ок
2
Плавление полиэтилена происходит при Т>120°С (393 К). Для газификации и горения полиэтилена температуру газа в обдувающем потоке зададим Т=900 К, плотность потока окислителя g=50 кг/(с⋅м).
Расход воздуха рассчитываем по соотношению (4):
B
ок
кан
-4
-3
G=4.31gS=4.31⋅50⋅0.7854⋅10=16.9⋅10 кг/с.
см
в
При давлении в камере смешения р=0.5 МПа, давление воздуха перед калиброванной диафрагмой 17 р=4.0 МПа обеспечивает режим сверхкритического истечения [12]:
в
где k - показатель адиабаты для воздуха.
Площадь отверстия диафрагмы 17 определяется из выражения для расхода воздуха при сверхкритическом режиме истечения [12]:
где ϕ=0.9 - коэффициент расхода;
Д
S - площадь отверстия диафрагмы;
- функция показателя адиабаты;
B
R - газовая постоянная воздуха.
В
в
5
Значения теплофизических параметров воздуха при Т=20°С (293 К) и давлении р=10 Па приведены в таблице 1 [11].
Из формулы (9) найдем площадь отверстия диафрагмы:
Д
-3
что соответствует диаметру отверстия диафрагмы d=1.6⋅10 м.
Для нагрева воздуха рассмотрим газогенератор с зарядом торцевого горения из пороха Н, характеристики которого приведены в таблице 2 [13].
В таблице 2 обозначено:
р
ρ - плотность пороха;
1
a
5
u - скорость горения при атмосферном давлении р=10 Па;
ν - показатель степени в законе скорости горения;
р
k - показатель адиабаты продуктов горения;
p
R - газовая постоянная продуктов горения.
см
Требуемый расход продуктов горения для подогрева воздуха до заданной температуры Т=900 К определяется из соотношения (5)
р
Примем давление в газогенераторе p=4.0 МПа. Из выражения для прихода газа от горения топлива в газогенераторе [12]:
p
р
-3
где  определим площадь поверхности горения заряда в газогенераторе (u при р=4.0 МПа равна 6.4⋅10 м/с):
p
-3
что соответствует диаметру заряда d=24⋅10 м. Из формулы для расхода продуктов горения, аналогичной (9), определяем площадь критического сечения сопла для газогенератора:
c
-3
что соответствует диаметру критического сечения сопла d=1.5⋅10 м.
p
B
см
ок
-3
-3
-3
2
Таким образом, рассчитанные расходные характеристики газогенератора G=16.9⋅10 кг/с и системы подачи воздуха G=4.7⋅10 кг/с позволяют создать в кольцевом канале исследуемого образца твердого топлива газовый поток с суммарным расходом G=21.6⋅10 кг/с с требуемыми значениями T=900 К и g=50 кг/(с⋅м).
вст
p
-3
Экспериментально получено, что для надежного зажигания заряда из полиэтилена необходимое время горения кольцевой вставки составляет t=0.8 с. Скорость горения пороха Н при давлении 0.5 МПа u=1.84⋅10 м/с. В соответствии с соотношением (6) толщина кольцевой вставки
вст
вст
-3
-3
h=ut=1.84⋅10⋅0.8=1.5⋅10 м.
ок
2
-3
-3
Для заданного значения плотности потока окислителя g=50 кг/(с⋅м) скорость горения полиэтилена u~0.16⋅10 м/с [1]. Для выбранного одноканального цилиндрического заряда L=0.1 м, e=(0.02-0.01)/2=5⋅10 м. Подставляя эти значения в соотношение (3), получим требуемую скорость перемещения датчика:
д
-3
Для N=10 (десять измерений скорости горения в каждом сечении заряда за время его горения) получим u=32⋅10 м/с.
ок
Проведя серию экспериментов по измерению скорости горения ТТ при варьировании величины плотности потока окислителя g, можно определить константы А и n в законе скорости горения (1).
В соответствии с приведенным примером реализации предложенного способа был изготовлен экспериментальный стенд, который используется для определения скорости горения ТТ в потоке нагретого газа (Фиг. 2).
Приведенный пример показывает, что при реализации предлагаемого способа определения скорости горения твердого топлива в потоке нагретого газа достигается положительный эффект, заключающийся в следующем.
1. Применение кольцевого резонаторного датчика для измерения скорости горения, перемещаемого в процессе эксперимента вдоль заряда, позволяет определить скорость горения твердого топлива по длине заряда в различные моменты времени.
2. Использование продуктов сгорания твердотопливного газогенератора для подогрева воздуха позволяет получать газовую смесь в широком диапазоне заданных значений температуры и плотности потока окислителя.
3. Применение кольцевой вставки из легковоспламеняемого топлива, установленной перед исследуемым образцом твердого топлива, позволяет обеспечить надежное зажигание образцов с высокой температурой воспламенения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Александров В.Н., Быцкевич В.М., Верхоломов В.Н. и др. Интегральные прямоточные воздушно-реактивные двигатели на твердых топливах. - М.: Академкнига, 2006. - 343 с.
2. Губертов A.M., Миронов В.В., Голлендер Р.Г. и др. Процессы в гибридных ракетных двигателях. - М.: Наука, 2008. - 405 с.
3. Патент РФ №2505699, МПК F02K 9/96. Способ определения скорости горения твердого ракетного топлива / Ю.М. Милехин, А.Н. Ключников, А.В. Федорычев, И.Р. Мишкин, И.В. Якимцев; опубл. 27.01.2014.
4. Патент РФ №2578787, МПК F02K 9/96. Способ определения скорости горения твердого ракетного топлива / А.С. Жарков, Ю.Н. Дерябин, A.В. Литвинов, Л.Д. Ленкина, В.П. Филиппов, В.Б. Жаринов, А.А. Аверин, Н.И. Азаров, С.А. Новиков; опубл. 27.03.2016.
5. Патент РФ №2654554, МПК F02K 9/96. Способ определения скорости горения заряда ракетного двигателя твердого ракетного топлива / B.Г. Ефимов, А.В. Литвинов; опубл. 21.05.2018.
6. Коморник Д., Гани А. Исследование гибридного газогенератора ракетно-прямоточного двигателя // Физика горения и взрыва. - 2017. - Т. 53, №3. - C. 53-58.
7. Перов В.В., Зарко В.Е., Жуков А.С. Новый микроволновой метод измерения нестационарной массовой скорости газификации конденсированных систем // Физика горения и взрыва. - 2014. - Т. 50, №6. - С. 130-133.
8. Описание полезной модели к Патенту РФ №189669, МПК G01F 23/284. Система измерения массовой скорости газификации / В.Е. Зарко, А.Б. Кискин, Д.Г. Наливайченко; опубл. 30.05.2019, бюл. №16.
9. Архипов В.А., Зарко В.Е., Жарова И.К. и др. Горение твердых топлив при обдуве высокоскоростным газовым потоком // Физика горения и взрыва. - 2016. - Т. 52, №5. - С. 3-12.
10. Александров В.Н., Верхоломов В.К., Панфилов Р.Я. Исследование скорости горения при сжигании твердого углеводородного горючего (полиметилметакрилата) в воздушном потоке при низких давлениях в камере сгорания // Труды центрального института авиационного машиностроения, 1978. №833.
11. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. - М.: Энергия, 1977. - 344 с.
12. Соркин Р.Е. Газотермодинамика ракетных двигателей на твердом топливе. - М.: Наука, 1967. - 368 с.
13. Шишков А.А., Панин С.Д., Румянцев Б.В. Рабочие процессы в ракетных двигателях твердого топлива: Справочник. - М.: Машиностроение, 1968. - 240 с.