Горение смесевого твердого топлива

Скачать

Использование ракетных двигателей на твердом топливе в составе современных образцов ракетно-космической техники. Структура зоны горения смесевого твердого топлива. Анализ и выбор метода измерения температурного поля и скорости стационарного горения.

Размер: 1,9 M
Тип: дипломная работа
Категория: Астрономия
Скачать

Другие файлы:

Физика горения и взрыва
Горение газов и паров (Краткие основы химической кинетики; Процессы воспламенения; Процесс распространения пламени - нормальное распространение и горе...

Основы теории горения
Сравнение видов топлива по их тепловому эффекту. Понятие условного топлива. Теплота сгорания твердого и жидкого топлива. Гомогенное и гетерогенное гор...

Расчет котлоагрегата
Краткое описание теории горения топлива. Подготовка твердого топлива для камерного сжигания. Создание технологической схемы. Материальный и тепловой б...

Расчет процесса горения топлива
Методика расчета горения топлива на воздухе: определение количества кислорода воздуха, продуктов сгорания, теплотворной способности топлива, калоримет...

Утилизация отходов производства и потребления с получением твердого топлива
Переработка отходов производства и потребления в процессе создания альтернативного твердого топлива. Подбор отходов для создания брикетного топлива. Р...


Краткое сожержание материала:

Размещено на

28

Размещено на

Содержание

  • Введение
  • 1. Структура зоны горения смесевого твердого топлива
  • 2. Анализ и выбор метода исследования
    • 2.1 Методы создания условий эксперимента
    • 2.2 Методы экспериментального исследования
      • 2.2.1 Анализ и выбор метода измерения температурного поля
        • 2.2.1.1 Радиационная пирометрия
        • 2.2.1.2 Яркостная пирометрия
        • 2.2.1.3 Цветовая пирометрия
        • 2.2.1.4 Методика проведения эксперимента
        • 2.2.1.5 Выбор фотоаппарата
        • 2.2.1.6 Выбор камеры скоростной видеосъемки
        • 2.2.1.7 Расчет ожидаемой погрешности
      • 2.2.2 Анализ и выбор метода измерения скорости стационарного горения
        • 2.2.2.1 Метод перегорающих проволочек
        • 2.2.2.2 Метод термопарных реперов
        • 2.2.2.3 Теневой оптический метод
        • 2.2.2.4 Ультразвуковой метод
        • 2.2.2.5 Выбор метода измерения скорости горения образца топлива
      • 2.2.3 Анализ и выбор метода измерения давления
  • 3. Проектирование экспериментальной установки
    • 3.1 Стенд для измерения температурного поля продуктов сгорания твердого ракетного топлива
    • 3.2 Аналогово-цифровой преобразователь
  • 4. Обработка и анализ экспериментальных данных
    • 4.1 Методика обработки экспериментальных данных
    • 4.2 Результаты экспериментального исследования температурного поля зоны горения твердого топлива
  • Приложения
  • Введение
  • Ракетные двигатели на твердом топливе широко используются в составе современных образцов ракетно-космической техники, с этим связано разработка новых компонентов топлива, отвечающих таким требованиям как экологичность, экономичность, энергоемкость.
  • Двигатели на твердом топливе относятся к сложным техническим системам и характеризуются не только многообразием конструктивных решении и используемых материалов, но и разнообразием сложных внутренних процессов. Одним из важнейших процессов является горение топлива в камере сгорания, так как он определяет газоприход в двигателе и, следовательно, его расход и развиваемую тягу. Важнейшими характеристиками горения топлива является температура и скорость его горения. Она оказывает существенное влияние на выбор материалов камеры сгорания, теплозащитных покрытий, КПД двигателей и др.
  • В данной работе будет выбран и рассмотрен метод определения параметров температурного поля.
  • Существуют контактные и бесконтактные методы определения температурного поля. Контактные методы, одним из примеров которых являются термопары, не дают измерять высокие температуры, а также имеют большую погрешность. В процессе измерения часть тепла идет на нагрев самой термопары. В результате этого измеренная температура отличается от температуры исследуемой среды.
  • В данной работе для определения температурного поля будут рассматриваться бесконтактные методы, связанные с собственным излучением объекта. К ним относятся яркостная, цветовая и радиационная пирометрии.
  • Методика предусматривает измерение монохроматического излучения с длиной волны л.
  • Из условия равенства спектральных яркостей излучения пламени и абсолютно черного тела следует:
  • - = ln , где:
  • Т - истинная температура пламени,
  • Т - измеряемая в опыте «яркостная» температура.
  • Допущение о равенстве истинной температуры и яркостной, имеет существенную методическую ошибку («яркостная» температура всегда ниже истинной), связанную с отсутствием учета степени черноты продуктов сгорания, определение которой является задачей дополнительного исследования.
  • Проводя измерения в двух длинах волн и основываясь на отношении спектральных яркостей, можно получить:
  • - = , где:
  • Тц - «цветовая» температура.
  • Преимущество цветовой пирометрии состоит в том, что цветовая температура для серого излучателя независимо от значения излучательной способности равна его действительной температуре.
  • Для определения цветовой температуры можно воспользоваться снимками пламени, сделанными с помощью цифровой видеокамеры или фотокамеры. Так как цвет пикселя на цифровой фотографии состоит из трёх основных цветов: красного, зелёного, синего, то на снимке с помощью программных средств можно в любой точке определить яркость для двух длин волн и найти значение температуры.
  • Второй принципиальной особенностью разработанного метода является преобразование фотоизображения в символьный массив, которое может быть осуществлено с помощью одной из версий пакета Matlab. Разработанное математическое сопровождение позволяет получать за считанные минуты двумерный массив температур по всему полю пламени, обрабатывать его, строя необходимые графические зависимости, определяя статистические характеристики и т.п.
  • Скорость горения твердого ракетного топлива в данной работе будет измеряться методом перегорающих реперов, это достаточно простой, но эффективный метод. Для его реализации в образец твердого ракетного топлива заделываются тонкие (толщиной 0,1 - 0,2 мм) медные или нихромовые проволочки - репера. Каждый из реперов включен в свою электрическую цепь, питаемую напряжением 12 В. При подходе фронта горения репера поочередно перегорают, что фиксируется на устройстве регистрации. Если одновременно фиксировать время, то нетрудно определить интервалы между моментами перегорания реперов Дt. Знание точного расстояния между реперами h, которое измеряется в процессе изготовления образца, дает возможность расчета скорости горения:
  • Uт = h/Дt
  • Опытное определение поля температур продуктов сгорания твердого ракетного топлива проводилось в установке постоянного давления (УПД) традиционного исполнения.
  • Необходимый уровень давления создавался выбором соотношения давления азота на входе в УПД и диаметром дроссельной шайбы. Установка имеет два кварцевых окна - для визуализации объекта и для подсветки пламени, необходимой по условиям эксперимента.
  • 1. Структура зоны горения смесевого твердого топлива
  • Смесевые топлива являются смесями окислителя и горюче-связующих веществ, в отличие от баллиститных порохов. В качестве окислителей используют соли минеральных кислот, которые при термическом разложении выделяют свободный кислород. Такими окислителями являются перхлораты аммония и калия, нитрат аммония и калия и др.
  • В качестве горюче-связующих веществ в смесевых топливах применяются высокомолекулярные соединения-полимеры. С энергетических позиций горюче-связующие вещества должны содержать максимальное количество водорода, иметь небольшую теплоту образования и высокую плотностью.
  • Смесевое топливо содержит окислителя 60-80%, горючесвязующих веществ 25-15% от массы, металлические добавки, катализаторы, ингибиторы и другие вещества.
  • Как процесс горения баллиститных порохов, так и горение смесевых топлив является многостадийным. Авторы работ считают, что горение смесевых топлив определяется в основном реакциями, протекающими в газовой фазе с преобладанием кинетического и диффузионного режимов горения. Часть исследователей, на основании анализа полученных экспериментальных данных считает, что определяющими в процессе горения смесевых топлив являются реакции в конденсированной фазе. [В.М. Мальцев, «Физика горения и взрыва», стр59]
  • Смесевые топлива имеют неоднородную неупорядоченную структуру и состоят из кристаллов окислителя, промежутки между которым заполнены горючим, а также металлических добавок алюминия. Важнейшим аспектом горения является состояние и структура горящей поверхности.
  • Поверхность горения имеет ячеистую структуру с впадинами и выступами, что обусловлено гетерогенностью системы и неодновременным разложением компонентов топлива. При этом в зависимости от условий, может наблюдаться образование выступов из окислителя или горюче-связующего вещества. В зависимости от вида топлива горящая поверхность может быть «сухой» или компоненты топлива находятся в расплавленном состоянии.
  • Повышение давления приводит к частичному выравниванию поверхности горения. Наблюдаемые на поверхности горения очаги пламени, число которых увеличивается с повышением давления, обусловлены свечением частиц в конденсированном состоянии и углеродистых частиц, образующихся при горении топлива. Подтверждением данного предположения является резкое отличие размеров и интенсивности светящихся очагов пламени у поверхности горения с изменением стехиометрического коэффициента бст.
  • При избытке горючего на поверхности горения и вблизи неё наблюдаются ярко светящиеся образования продуктов пиролиза. В случае избытка окислителя резко падает интенсивность и размер углеродистых образований. Уменьшение исходного размера частиц окислителя приводит к более полному смешению продуктов разложения окислителя и горючего, как в реакционном слое конденсированной фазы, так и зоне пламени в непосредственной близости к поверхности горения, что проявляется в значительном уменьшении размеров струй газов, оттекающих от поверхности горения топлива.
  • На основании проведённых экспериментов было установлено, что максимальная температура пламени зависит от диаметров образов топлива d; существует размер dпред, начиная с которого температура пламени остаётся постоянной (dпред ? 7-8 мм).
  • Существует зависимость изменения расстояния от поверхности до зоны максимальной температуры пламени. Так если размеры частиц окислителя уменьшить в четыре раза, то расстояние между...