Экспериментальное исследование процессов воспламенения и установления стационарных режимов горения

 

Экспериментальное исследование влияния давления при ,  на период задержки τ_з было проведено на блоках твердого горючего D _BH = 24 мм, L = 100 мм при давлении р _к ≤ 3,0 МПа. Диапазон изменения ( ρ u) = 45…135 кг/м²/с.

Исследовались горючие: каучук СКД, каучук+10%Al, каучук+20%Al, каучук+15%КСlО4, ПЭ и ПММА. Окислительный газ содержал 27% азотного тетроксида.

Период задержки воспламенения зависит от начальной температуры компонентов, давления и скорости сублимации горючего и, следовательно, от удельного расхода окислителя:

 ,

где L ₃– длина заряда;

u ₀ –средняя скорость потока.

Экспериментально определялось влияние на период задержки воспламенения следующих параметров:

- давления в камере сгорания до воспламенения при постоянной массовой скорости окислительного газа ( ρ u) ₀;

- давления в камере сгорания при постоянной массовой скорости u ₀  потока окислительного газа;

- начальной температуры заряда твердого горючего;

- длины и диаметра канала заряда горючего;

- интервала времени между пусками;

- теплопроводности твердого горючего.

Из экспериментальных зависимостей τ_з = f (р _к) видно, что с уменьшением давления в камере сгорания период задержки воспламенения увеличивается (рис. 7.4, 7.5). Так для горючего каучук СКД при ( ρ u) ₀ = 43 г/см²/с и t ₀ = 700 °С, при уменьшении давления в камере с 2,7 до 0,15 МПа период задержки воспламенения увеличивается с 0,05 до 0,5 сек, а для t ₀ = 500 ^оС при уменьшении давления с 2,7 до 0,4 МПа – изменяется с 0,16 до 3 сек. В последнем случае при уменьшении давления в камере р_к < 0,4 МПа воспламенения заряда горючего вообще не происходило. Аналогичный характер зависимости τ_з = f(р_к) наблюдается и при других значениях ( ρ u) ₀. Особенно сильное влияние давления наблюдается при малых значениях давления и низких температурах.

Из анализа полученных зависимостей можно сделать вывод, что с уменьшением давления (при и = const) τ_з увеличивается, так, например, для горючего каучук СКД для t ₀ =700 °С приуменьшении давления с 2,7 до 1,0 МПа τ_зувеличивается с 0,05 до 0,2 с.

Аналогичный характер данной зависимости наблюдается и для ПЭ.

Рассматривая график τ _з = f (р_к) с точки зрения дроссельных пусковых характеристик можно сделать заключение о том, что при запусках двигателя на режимах дросселирования период задержки воспламенения будет тем больше, чем глубже дросселирование.

Расчеты показали, что если бы период индукции не зависел от давления, условия воспламенения с уменьшением давления достигались бы раньше и период задержки воспламенения уменьшился. Но ввиду того, что период индукции обратно пропорционален плотности газа в степени (ν - 1), основное воздействие оказывает давление и период индукции при уменьшении давления увеличивается. Кроме того, с уменьшением тепловых потоков увеличивается время достижения поверхностью температуры газификации.

 

Рис. 7.4.

Рис. 7.5.

 

Была проведена количественная оценка вышеприведенных зависимостей. Эффективные порядки химических реакций были определены из условия равенства периода индукции и временипребывания смеси в канале заряда. При сравнении расчетных значений τ _инд сэкспериментальными во всем исследуемом диапазоне давлений была получена сходимость + 8 %. Теоретические расчетные точки нанесены на соответствующие графики.

На графике (рис.7.6) представлены зависимости τ_з = f (р_к) для каучука СКД.

Для всех исследованных топлив с уменьшением температуры окислительного газа τ_з увеличивается, причем с увеличением давления влияние температуры ослабевает. С уменьшением Т ₀ уменьшается тепловой поток, воспринимаемый зарядом твердого горючего, и увеличивается время прогрева поверхности до температуры газификации. При меньших температурах окислительного газа рассматриваемая зависимость выражена резче, что объясняется более пологой зависимостью скорости сублимации от времени при уменьшении тепловых потоков. Сравнение экспериментальных зависимостей с расчетными (используется ранее определенный порядок реакции и экспериментальное значение энергии активации Е) показало отклонение расчета от эксперимента до 20 %.

 

Рис. 7.6.

 

Влияние массовой скорости окислительного газа на исследуемые горючие показано на рис. 7.7, 7.8.

 

Рис. 7.7.

Рис. 7.8.

 

Видно, что период задержки воспламенения с увеличением плотности тока ( ρ u) ₀ возрастает, причем при ( ρ u) ₀ > 750 кг/м²с зависимость очень слабая. Для горючего каучук+15% КСlО₄ время задержки практически не зависит от плотности тока в диапазоне 200…1450 кг/м²/с. Это можно объяснить тем, что воспламенение данного горючего происходит на поверхности раздела фаз, а не в газовой фазе.

Анализ влияния начальной температуры заряда горючего на период задержки воспламенения при постоянных температуре и массовой скорости окислительного газа показал, что с уменьшением начальной температуры заряда период задержки воспламенения увеличивается, причем с уменьшением давления в камере сгорания это влияние значительнее. При изменении начальной температуры заряда в диапазоне ± 50⁰C происходит надежное воспламенение всех исследованных топлив.

 Исследования по влиянию интервала времени между повторными запусками на период задержки воспламенения проводились для горючих: каучук СКД и каучук СКД +20% Аl при ( ρ u) ₀ =const и d _вн = const (рис. 7.9).

 

Рис. 7.9.

 

Показано, что τ_з при повторных запусках с интервалами до 1 минуты резко уменьшается и ~ на 15-й минуте становится равным первоначальному.

Зависимость периода задержки воспламенения τ_з от расхода окислителя, отнесенного к начальной поверхности горения, показывает, что τ_з падает при его увеличении от 0 до 1,6, а далее остается постоянным при росте W , что обеспечивает надежное воспламенение при широком варьировании расхода окислителя.

В области температур от –50 ^оС до +20 ^оС наибольшее влияние на величину τ_з оказывает температура горючего, а в области температур от +20 ^оС до +50 ^оС – температура окислителя.

Для топлива ПЭ+85%Н₂О₂ период задержки воспламенения τ_з = 1,6…1,0 при р _к =2…4 МПа и Т = 200 ^оС, для топлива ПММА+О₂ τ_з = 0,33…0,81 с.

Из результатов проведенных исследований видно, что на процесс воспламенения в ГРД влияет большое число факторов. Полное время задержки воспламенения, представляющее наибольший интерес, определяется как период от начала нарастания давления впрыска до первого пика давления в камере сгорания. На этот период влияют пять основных факторов, исследованных экспериментально:

1) переходные режимы подачи окислителя;

2) характеристики форсунки;

3) скорость начальной химической реакции, определяемая кинетикой, процессами тепловыделения и теплопереноса;

4) скорость распространения пламени вдоль заряда, связанная со скоростью выгорания (также зависит от характеристик форсунки и подачи окислителя);

5) время нарастания давления в камере, зависящее от скорости выгорания и объема камеры.

Задержка подачи окислителя (или переходные процессы) оказывает тормозящий эффект и в ряде случаев может использоваться для регулирования процесса воспламенения в ГРД. Характеристики форсунок также не менее важны, и в общем случае форсунки с тонким распылом обеспечивают более короткое полное время задержки воспламенения, чем форсунки с грубым распылом.