Глава 7. Процессы воспламенения гибридного топлива и выхода двигателя на режим

 

Процесс воспламенения и выхода на режим ГРД имеет ряд особенностей, существенно отличающих его от аналогичных процессов в ЖРД и РДТТ. Отличие от ЖРД состоит, прежде всего, в наличии монолитного твердого компонента. Его поверхность должна получить достаточное количество тепла для термического разложения с выходом горючих газов.

В РДТТ разложение твердого топлива обеспечивает поступление в газовую фазу и горючих и окисляющих компонентов, которые могут сразу вступать в реакцию. В ГРД зона горения отделена от поверхности твердого компонента (горючего) и потока газообразного компонента (окислителя) областями диффузии горючих и окисляющих компонентов.

При рассмотрении повторного запуска гибридного двигателя необходимо учитывать, что поверхность твердого компонента (горючего) будет отличаться от первоначальной из-за наличия на ней остаточных продуктов неполного пиролиза, которые образовались на режиме спада давления при предшествующем останове ГРД. Причем толщина этого слоя может зависеть от длительности паузы.

Воспламенение твердого компонента представляет собой совокупность газодинамических и физико-химических процессов, протекающих в свободном объеме камеры сгорания и поверхностном слое заряда твердого горючего от момента зажигания заряда воспламенителя до выхода на стационарный режим. Процесс воспламенения состоит из нескольких стадий:

1) химическое воспламенение (период времени от начала подачи окислителя через форсунку до появления первого очага пламени на поверхности канала заряда);

2) распространение пламени (период времени от появления первого очага пламени на поверхности заряда до распространения его по всей поверхности);

3) нарастание давления в камере (период времени, требуемый для повышения давления до максимального или стационарного уровня).

После зажигания воспламенителя продукты сгорания истекают в свободный объем, вытесняя холодный воздух из канала. Распространение фронта горячих газов сопровождается возникновением волн давления, которые, двигаясь по каналу, отражаются от заднего днища и взаимодействуют друг с другом. Если воспламенитель расположен в сопловой части, то продукты сгорания воспламенителя вытесняют воздух из канала в свободный объем у переднего днища, одновременно часть газов истекает через сопло. В этот период происходит повышение давления и нагрев поверхности твердого горючего продуктами сгорания воспламенителя. За время этой стадии некоторые участки поверхности заряда достигают температуры начала газификации горючего.

В следующей стадии происходит распространение пламени по всей поверхности. Распространение по поверхности пламени происходит путем смыкания локальных очагов.

Завершающая стадия – это нарастание давления и выход двигателя на стационарный режим. В этот период происходит догорание остатков воспламенительной смеси, выравнивание газоприхода с поверхности горения и расхода окислителя.

Процесс воспламенения является сложным нестационарным процессом и деление его на стадии в определенной степени условно. Однако в общих чертах рассмотренная физическая модель подтверждается результатами экспериментальных исследований [7.1, 7.2].

Большое количество работ выполнено по исследованию воспламенения твердых топлив, причем много внимания уделялось проблеме самовоспламенения. По-видимому, результаты этих исследований применимы в известной мере к ГРД с учетом предельного условия о полном отсутствии окислителя в заряде твердого горючего. Рассмотрим модели воспламенения, которые при определенных условиях могут быть использованы в ГРД.

В теории воспламенения наиболее разработанной является тепловая модель воспламенения, достаточно подтвержденная экспериментом. Она предполагает протекание эндотермических реакций в твердой фазе в условиях нестационарного нагрева поверхности. В качестве допущений принята независимость процесса от параметров окружающей среды. Скорости химических реакций определяются законом Аррениуса. Условием воспламенения является достижение на поверхности топлива критической температуры, обеспечивающей протекание реакций в конденсированной фазе.

Основоположником школы теплового воспламенения является Н. Н. Семенов [7.4]. Развитие теории зажигания началось с классических работ Я. Б. Зельдовича [7.5…7.7], который так сформулировал условия воспламенения пороха:

1. Достижение критической температуры поверхности θ_*, при которой начинается интенсивное разложение пороха с образованием газообразных продуктов.

2. Создание достаточно глубокого прогретого слоя, обеспечивающего существование пламени у поверхности.

Максимальное значение градиента температуры φ у поверхности пороха не должно превосходить критического значения φ_*, определяемого соотношением:

,                                         

где

ρ_г – плотность горючего;

θ _* – критическая температура воспламенения;

η_г – коэффициент теплопроводности горючего;

Е_а – энергия активации;

е – толщина сгоревшего свода;

Т _г – температура продуктов сгорания;

с_{р г} – теплоемкость продуктов горения.

Если φ > φ _*, запас тепла в прогретом слое недостаточен для поддержания горения.

В работе [7.5] одновременно дана оценка минимальных значений толщины прогретого слоя у_*, длительности прогрева t_* и потребного тепла W_* (в расчете на единицу площади поверхности), необходимых для достижения условий воспламенения. Эти величины соответственно равны:

;  ;   ,                                       

где θ_н – температура стенки в момент у = 0;

к_Т – коэффициент температуропроводности;

с _Т– теплоемкость топлива.

Эти идеи были развиты в работе [7.8], где рассмотрено воспламенение порохов потоком горячих газов в случае, когда газификация конденсированного вещества происходит целиком за счет подвода тепла от газообразных продуктов. При этом в зависимости от интенсивности подвода тепла к поверхности пороха, измеряемой величиной удельного теплового потока q от продуктов горения воспламенителя к заряду, различаются два режима воспламенения:

1. Режим слабого теплоподвода при q < . В этом случае поверхностный слой сначала накапливает необходимое количество тепла, а затем, как только температура поверхности становится равной температуре газификации, происходит воспламенение.

2. Режим сильного теплоподвода при q > . После достижения критической температуры поверхности дальнейший подвод тепла приводит к вынужденной газификации поверхностного слоя, на которую уходит часть подводимого тепла; кроме того, тепловой поток к поверхности будет ослабляться оттекающими газами.

Тепловая теория воспламенения в конденсированной фазе разработана наиболее подробно по сравнению с другими теориями зажигания и имеет достаточное экспериментальное подтверждение.

Более подробное изложение тепловой теории зажигания дано в обзорной работе [7.9].

Однако тепловая модель не объясняет некоторые факты, например, влияние среды (для ГРД – взаимодействие потока окислителя с продуктами сгорания воспламенителя и газифицированным горючим). В работах ряда авторов [7.10…7.12] тепловая теория зажигания в конденсированной фазе признается недостаточно совершенной. Ее наиболее серьезным недостатком Р. Ф. Мак-Алеви [7.12] считает неспособность объяснить экспериментально наблюдаемое влияние химической реакционной способности среды, в которую помещен воспламеняемый заряд, на задержку воспламенения, определяемую им как время от начала нагрева топлива до момента возникновения фронта пламени над его поверхностью. Он также полагает, что теория зажигания в конденсированной фазе применима лишь к гомогенным составам, которые способны создать требуемый уровень генерации тепла, тогда как для гетерогенных составов зажигание следует объяснять на основе реакций в газовой фазе.

Рассмотрим элементы физической модели теории зажигания, основанной на тепловыделении в газовой фазе. Теория трактует воспламенение топлива на основе процессов теплообмена и химических реакций в слое газов, примыкающих к поверхности топлива. В результате нагрева поверхности заряда продукты разложения топлива, испарившиеся с поверхности, поступают в окружающую газовую среду, вступают в реакцию между собой, а также с окислителем, содержащимся в окружающей среде. Тем самым поддерживаются экзотермические реакции. Когда количество тепла, генерируемого химическим путем, становится равным потерям тепла в результате теплопроводности в окружающую среду, происходит воспламенение топлива.

Критерий воспламенения, используемый в теории зажигания в газовой фазе, в соответствии с описанной выше моделью имеет вид:

 ;   ,                                                                        

где q _Г–скорость химической генерации тепла за счет реакций в газовом слое у поверхности заряда;

q _п–тепловой поток из газового слоя в окружающую среду;

Т, η_г– температура и теплопроводность газа в среде, примыкающей к поверхности.

Практическое применение этого критерия к процессу воспламенения заряда в широко используемых схемах двигателей вызывает значитель­ные трудности в связи с неясностью, каким образом вычислить величины q _Ги д²Т/ду² с учетом обтекания воспламеняемых поверхностей потоком газа.

Получила распространение гетерогенная теория зажигания. В основу этой теории положена гипотеза, что основную роль в процессе зажигания играют гетерогенные реакции между газообразным окислителем и конденсированным горючим, протекающие либо непосредственно на воспламеняемой поверхности, либо в поверхностном слое на границе раздела окислителя и горючего [7.13, 7.14]. Гетерогенные реакции имеют место при так называемом гипергольном воспламенении (самовоспламенении) твердых горючих посредством контакта с химически активным газообразным или жидким окислителем [7.15].

В случае, когда воспламенение достигается путем нагрева поверхности топлива продуктами сгорания воспламенителя, согласно гетерогенной теории зажигания, первоначально происходит реакция газообразного окислителя с твердым горючим. При нормальном воспламенении тепловыделение за счет этой экзотермической гетерогенной реакции превышает потери тепла, что приводит к росту температуры поверхности до критического значения, при котором спонтанным образом возникают самоподдерживающиеся реакции, что, собственно, и считается зажиганием. Состояние установившегося горения достигается в дальнейшем уже без подвода энергии от воспламенителя.

Попытка представления гетерогенной теории математической моделью предпринята в работе [7.16]. Полагая, что скорость процесса определяется только кинетикой гетерогенной реакции (такой подход в принципе допустим, так как зажигание, как правило, происходит в кинетической области, где диффузионные процессы несущественны), можно свести задачу к решению уравнения теплопроводности:

 .                                                                                                          

сграничным условием при у = 0:

,                                                                                              

где q ₀ – тепловой поток из газовой фазы, а второе слагаемое в гранич­ном условии отражает тепловыделение за счет химической реакции на границе, разделяющей твердый компонент и газ.

Опубликованные результаты экспериментального исследования механизма зажигания в основном позволяют получить представления о природе изучаемых процессов лишь применительно к тепловой модели [7.17, 7.18]. Однако это положение не следует считать противоречащим газофазной теории, где предполагается, что вначале имеет место возгонка горючего. Про­текание процесса зависит от состава топлива, так что в первую очередь состав топлива определяет механизм воспламенения. Схема процесса воспламенения и горения гибридного топлива показана на рис. 7.1.

 

Рис. 7.1.

 

Таким образом, для организации воспламенения твердого горючего в гибридном двигателе необходимо обеспечить нагрев поверхности горения и в дальнейшем его газификацию. Этот процесс носит нестационарный характер и зависит от характеристик заряда твердого компонента и вида окислителя. Основным при организации воспламенения является кинетика газификации твердого компонента. Она связана с достижением определенного уровня температуры на поверхности, зависящей от характеристик твердого компонента. При малых скоростях газификации температурное поле заряда можно рассчитывать по обычным уравнениям нестационарной теплопроводности для полубесконечного тела. В простейшем случае можно принимать тепловой поток к поверхности заряда постоянным. В первом приближении можно оценить время воспламенения как время, необходимое для установления стационарного процесса газификации, как время нагрева поверхности твердого компонента до температуры газификации.

Анализ теоретических и экспериментальных исследований механизма воспламенения в ГРД позволил выявить основные процессы, происходящие при впрыске как жидкого, так и газообразного окислителя.

Для процесса воспламенения систем жидкость - заряд твердого горючего реакции на поверхности играют бо́льшую роль, чем в газовом объеме. Пламя появляется в зоне наиболее активного химического взаимодействия, обычно в удаленной от головки части камеры, а затем распространяется к соплу и головке по всей поверхности заряда. В аналитическом исследовании необходимо учитывать перетекание жидкости при впрыске по поверхности заряда.

В случае газообразного окислителя и твердого горючего механизм взаимодействия иной, но реакции на поверхности контакта играют главную роль в процессе воспламенения. Задержка воспламенения сильно зависит от количества химически активных газов в зоне контакта и, следовательно, от давления в камере сгорания. В связи с этим в случае газообразного окислителя задержка воспламенения обычно больше, но повышение давления в камере более резкое, чем для жидкого окислителя.