разработка стенда для исследования характеристик горения

 УДК 536.46
РАЗРАБОТКА СТЕНДА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ГОРЕНИЯ
ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В ВЫСОКОСКОРОСТНОМ ПОТОКЕ ВОЗДУХА
Внучков Д.А., Звегинцев В.И., Наливайченко Д.Г., Лукашевич С.В.
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт теоретической и прикладной механики
им. С.А. Христиановича Сибирского Отделения РАН,
г. Новосибирск, Россия
Наиболее перспективным направлением развития современной ракетной техники считается
разработка и применение прямоточных воздушно-реактивных двигателей на твердом топливе (ПВРД
ТТ). Одним из основных препятствий на этом пути является сложность и многоплановость вопросов
горения твердого топлива (горючего) в высокоскоростном потоке окислителя (воздуха).
Необходимость преодоления существующих проблем заставляет создавать уникальные огромные и
дорогие стенды с воспроизведением натурных условий полета, в которых проводятся испытания
создаваемых конструкций. При этом не обеспечиваются обобщение и экстраполяция результатов
проведенных испытаний на изменяющиеся входные условия и, прежде всего, на изменение физикохимических свойств различных вариантов применяемого твердого топлива. Целью данной работы
является выбор обобщающих критериев и создание единой методики экспериментального
исследования характеристик горения твердого топлива в высокоскоростном потоке воздуха.
В ИТПМ СО РАН создана экспериментальная установка для исследования процессов горения,
включающая короткую камеру для сжигания твердого горючего в высокоскоростном (дозвуковом
или сверхзвуковом) потоке воздуха, автоматизированную систему нагрева, подачи и регулирования
расхода воздуха, систему воспламенения горючего в камере сгорания, систему отвода
высокотемпературных продуктов сгорания. Установка оснащена современной быстродействующей
системой измерений, позволяющей измерять расход окислителя на входе и расход продуктов
сгорания на выходе, нестационарные значения давлений и температур, унос массы топливных
образцов, выделение тепла пи горении с учетом теплоотвода в стенки. Основными особенностями
установки являются широкий диапазон реализуемых условий испытаний и короткое время рабочего
режима (порядка несколько секунд), что позволяет существенно снизить стоимость ее создания и
эксплуатации.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки 1
Подача воздуха включается на время от 2 до 10 с и в это же время организуется воспламенение
и горение исследуемого образца твердого топлива. После отключения подачи воздуха горение
образца прекращается. Анализ формы осевого отверстия после прекращения горения позволяет
построить газотермодинамические модели для расчета процессов теплофикации и испарения
исследуемого горючего, а также для определения характеристик горения в достаточно длинном
канале. В рассматриваемой установке можно проверять различные виды твердого топлива с точки
зрения их газификации и эффективной скорости горения.
Рис. 2. Схема экспериментальной установки 2
В дальнейшем эта установка была модернизирована и добавлена цилиндрическая камера
дожигания, в которой можно исследовать процессы горения конденсированных частиц.
В процессе эксперимента рабочий газ – сжатый воздух поступает в форкамеру установки через
многоканальный омический подогреватель, разогретый до 800 К. В форкамере воздух разогревается
до необходимой температуры < 2000 К с помощью огневого подогрева (водород+кислород). Далее,
через сопло диаметром 20 мм газ поступает в камеру смешения, где установлен образец твердого
топлива, представляющий собой цилиндр длиной 40 мм, внешним диаметром 40 мм и с внутренним
цилиндрическим каналом диаметром 20 мм. Горение и унос массы образца ТТ осуществляются
только на внутренней поверхности центрального канала. Дроссельная шайба на выходе камеры
дожигания и теплоподвод к потоку за счет горения образца ТТ приводят к установлению дозвукового
потока на входе в камеру сгорания с заданным уровнем давления.
В процессе эксперимента регистрировалось:
- давление торможения в форкамере и в потоке КД;
- давление на стенках сопла и КД;
- тепловой поток на стенках КД;
- температура потока вблизи стенки в КД;
- свечение в рабочей части и КД через смотровые окна;
- анализ массовой доли О2 в газовой фазе продуктов сгорания в КД.
В настоящее время прорабатывается следующая модификация установки (см. рис. 3), в которой
предусматривается использование кауперного нагревателя, который позволит исключить наличие в
воздушном потоке продуктов сгорания от огневого подогревателя. В рабочий поток диаметром 40 мм
устанавливается двухконтурная камера сгорания с диаметром внутреннего контура 10 мм. Здесь
размещается образец испытываемого топлива диаметром 20/10 мм длиной 40 мм. Внешний проток
камеры сгорания в виде кольца диаметром 40/28 мм служит для перепуска части воздуха в камеру
дожигания. Разделение потока воздуха по двухконтурной схеме позволяет независимо регулировать
расход воздуха в первичной камере сгорания твердого топлива и в камере дожигания.
Рис. 3. Экспериментальная установка 3
Требуемый диапазон условий испытаний: - температура - от 300 до 1600 К (1800 К при М = 7);
- давление торможения - до 42 бар.
На разрабатываемой установке будут выполняться следующие экспериментальные
исследования с различными образцами твердого горючего:
1. Отработка процессов зажигания, выхода на режим, гашения и повторного зажигания зарядов.
Исследование стабильности процессов в камере сгорания.
2. Исследования скорости газификации образцов в широком диапазоне изменения
температуры, плотности тока газообразного окислителя и давления в камере сгорания.
3. Определение полноты сгорания продуктов газификации по длине камеры дожигания путем
проведения газового анализа и измерением количества выделяющегося тепла.
4. Исследование зависимости характеристик горения от геометрии зарядов и организации
течения в камере сгорания.
Полученные экспериментальные результаты будут использованы для паспортизации
характеристик исследуемого горючего с точки зрения его применения в ПВРД ТТ. Кроме того,
получаемые экспериментальные данные могут быть использованы для совершенствования методов
расчетов характеристик горения с учетом движения газов, изменения концентрации кислорода в
обдувающем потоке, наличия фронта горения в турбулентном пограничном слое, отрицательного
градиента давления, неизотермичности и вдува на поверхности канала, переменной по длине зарядов
скорости выгорания, наличия конденсированных частиц, вязкости и турбулентности потока
продуктов сгорания.
Выводы
Предложена схема проведения испытания модельных образцов твердого топлива в условиях
обдува высокоскоростным потоком воздуха. Определен диапазон параметров потока воздуха,
соответствующий условиям полета летательных аппаратов с ПВРД в диапазоне чисел Маха от М = 2
до М = 7 и высот от Н = 0 до Н = 30 км. Выполнена проработка конструкции стенда для проведения
испытаний образцов твердого топлива ПВРД, обеспечивающая полное воспроизведение натурных
параметров проходящего потока воздуха.
Работа выполняется при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант
15-08-04581 НК / 15).
Список литературы
1. Интегральные прямоточные воздушно-реактивные двигатели на твердых топливах (Основы теории и
расчета) / Александров В.Н., Быцкевич В.М., Верхоломов В.К. и др. Под ред. Яновского Л.С. М.: ИКЦ
«Академкнига», 2006. – 343 с.
2. Булгаков В.К., Липанов А.М. Теория эрозионного горения твердых ракетных топлив. М.: Наука, 2001. –
138 с.
3. Вилюнов В.Н., Дворяшин А.А. О закономерностях горения пороха Н в потоке газа. ФГВ, №1, 1971. – С.
45-51.
4. Кузнецов Г.В. Аналогичность процессов высокотемпературного разрушения резиноподобных
теплозащитных материалов в газовых потоках и эрозионного горения порохов. ФГВ, №1, 1998. - С. 6569.