Непрерывная детонация в кольцевых камерах

- 2 -
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ..................................... ............... 5
1. Экспериментальные камеры и методы измерений.................13
1.1. Испытательный стенд....................................19
1*2. Экспериментальные КДС и форсунки.......................13
1.3. Экспериментальная установка............................23
1.4. Методы измерений.......................................25
1.4.1. Измерение давлений................................ 25
1.4.2. Измерения расходов топлива и коэффициентов расхода.....................................................£9
1.4.2.1. Измерение расхода жидкого горючего и жидкого кислорода .................................................29
1.4.2.2. Измерение расхода газа.............................29
1.4.2.3. Измерение коэффициентов расхода. ..................32
1.4.3. Измерение силы тяги и удельного импульса.............34
1.4.4. Измерение тепловых потоков в стенки камеры и температуры газа............................................36
1.4.4.1. Измерение тепловых потоков-в стенки камеры 35
1.4.4.2. Измерение температуры газа.........................38
1.4.5. Измерение скорости потока воздуха в вихревой плоскорадиальной камере в переходном и стационарном режимах...................................... 4С
1.4.5.1. Методика измерения скорости потока с помощью треков .................................................. 40
1.4.5.2. Определение скорости потока с помощью измерений температуры, полного и статического давлений..47
1.4.6. Фоторегистрация детонационных режимов................47
- 3 -
1.4.7. Методы регистрации ЦДЕ и измерение их скорости..52
1.4.8. Определение числа Маха в продуктах детонации-----54
Выводы к главе 1............................................59
2. Непрерывная детонация в кольцевых цилиндрических
камерах ................................................... 60
2.1. Характеристики режимов, особенности ПДВ и условия их существования ......................................... .50
2.2. Смесеобразование. ................................. .72
2.2.1. Газообразные компоненты..............................72
2.2.2. Двухфазные компоненты................................80
2.2.3. Жидкие компоненты..............................................86
2.2.4. Влияние перемешивания топливных смесей ка параметры детонации (расчёт)................................ 92
2.2.4.1. Газовые компоненты................................. 92
2.2.4.2. Двухфазные компоненты..............................100
2.2.4.3. Жидкие компоненты .................................106
2.3. Соотношение топливных компонентов и способы их подачи. Использование воздуха в качестве окислителя
и подмешивание в смесь продуктов......................113
2.3.1. Газовые компоненты. .............................. 113
2.3.1.1. Влияние избытка одной из топливных компонент..113
2.3.1.2. Влияние подмешивания продуктов детонации 115
2.3.2. Двухфазные топлиЕа...................................................121
2.3.2.1. Поиск максимальных значений Ф и влияние распыла топлива.....................................................125
2.3.2.2. Разбавление кислорода воздухом.....................134
2.3.2.3. Активация смеси подогревом керосина. ..............139
2.3.2.4. Активация керосиновоздушной смеси подмешиванием продуктов детонации....................................... 140
2.3.2.5. Сжигание керосина в воздухе........................144
- 4 -
2.4. Предельные начальные давления в камере..................145
2.5. Влияние отношения давления подачи топлива
к давлению е камере (Рп/Рк) * <•-------“ * —...........151
2.5.1. ГазоЕые компоненты............................... 152
2.5.2. Двухфазные топлива.............................................158
2.5.3. Жидкие топлива. ................................... 160
2.5.4. Оптимальный профиль форсуночных отверстий.........163
2.6. Влияние геометрии камеры............................... 170
2.7. Влияние температуры и материала стенок..................176
2.8. Модель расчёта течения в камере....................... 179
2.9. Структура ВДВ и течение в её окрестности................186
2.9.1. Газообразные компоненты...............................192
2.9.2. Двухфазные компоненты............................... 195
2.9.3. Жидкие компоненты.....................................................................196
2.9.4. Зоны дозвукового и сверхзвукового течений Е области ВДВ............................................. '196
2.9.4.1. Газовые компоненты..................................201
2.9.4.2. Двухфазные компоненты...................................207
2.9.4.3. Жидкие компоненты...................................208
2.10. Удельный импульс..................................... 209
2.11. Тепловые потоки в стенки камеры.................... ..213
2.12. Использование КДС в качестве химического реактора на примере получения сажи....................................227
Выводы к главе 2.............................................223
3. Непрерывная детонация в плосксрадиальных камерах и в
свободном пространстве................................. 242
3.1. Самоподдерживаюшдяся пульсирующая детонация потока газовой смеси ....................................... .... 242
3.2. Непрерывное детонационное сжигание кольцевого слоя
газовой смеси.................................. . .лог
3.3. Детонационное горение топливокислородных смесей
в плоскорадиальных камерах с истечением к центру..262
3.3.1. Детонация метанокислородных смесей.................253
3.3.2. Детонация керосинскиолородных смесей...............267
3.4. Непрерывное детонационное сжигание топливовоедушных смесей................................................ 271
Выводы к глазе 3.................................... 291
4. Самовоспламенение в потоках топливных смесей. Течение в зихревой плоскорадиальной камере с истечением к центру.294
.1. Самовоспламенение з потоках топливных смесей 294
4.2. Течение в вихревой шюсксрадиаяьной камере........315
4.2.1. Вихревая камера и установка........................ 316
4.2.2. Поле скоростей в плоскорадиальной вихревой камере ............................................. 318
4.2.3. Вихревая структура течения............................327
4.2.4. Параметры потока в камере ............................341
Выводы к главе 4....................................... 355
ВЫВОДЫ................................................ ...,3-53
Заключение.................................................. 360
Литература......................................................362
ВВЕДЕНИЕ
Детонация, как неуправляемое явление в двигателях внутреннего сгорания, а также в проточных камерах газотурбинных установок и летательных аппаратов, вызывает много неприятностей еплоть до их разрушения. Поэтому о ней ведётся постоянная к достаточно успешная борьба. По-видимому, эта борьба сформировала в умах исследователей определённый стереотип и не позволяла придать детонации управляемый характер, использовав в двигателях и энергетических установках такие ценные качества детонации, как быстрота и интенсивность сжигания топлива, а также ряд других, позднее выясненных, качеств.
Вопрос о детонационном способе сжигания топлив впервые был рассмотрен Я.Б. Зельдовичем С13. Он показал, что с точки зрения термодинамики детонационное горение более выгодно, чем дефлаграцкя, так как при детонации продукты имеют меньшую энтропию. Что касается практического использования детонационного горения, тс око иллюзорно. Во-первых, при детонационном сжигании определяющим Фактором становится не скорость сжигания, а скорость наполнения трубы смесью, поэтому неизбежны и повышенные тепловые потери. Во-вторых, е прямоточном реактивном двигателе сжигание за прямым скачком уплотнения менее выгодно, чем сжигание в изэнтропически сжатом потоке воздуха. Последние выводы были сделаны без рассмотрения возможных схем детонационного сжигания, а в случае прямоточного двигателя дефлаграция сравнивались для разных начальных условий.
Ло-видимому, эта работа Я.Б. Зельдовича, а также упомянутая выше постоянная борьба с детонацией в камерах сгорания, надолго задержали исследования детонационного горения топлив. Первые
- 7 -
работы е этой области появились лишь через 20 лет [2-123. Б них исследовалось непрерывное детонационное сжигание, поэтому устранялись ограничения по времени наполнения камер сгорания смесью. Термин ’’непрерывный" означает, что процесс не прекращается, пока поддерживаются в определённых пределах входные параметры топливной смеси и условия истечения продуктов. Работы велись независимо в двух направлениях. Одни исследователи делали попытки обратить процесс и получить неподвижную стационарную детонационную волну в набегающем сверхзвукозом потоке смеси.
Кроме практических интересов в осуществлении такого режима имели место и чисто научные цели более удобного изучения структуры течения в детонационной волне. Однако из-за воспламенения смеси на стенках сверхзвукового сопла стационарный режим удалось осуществить лишь для очень бедных смесей.
Д. Николлс, Е.К. Дабора и Р.А.Геллер осуществили сжигание горючего в стационарных скачках уплотнения, возникающих при выходе сверхзвуковой струи в атмосферу С2]. В этих опытах для предотвращения преждевремеиного загорания горючее впрыскивалось в центре сверхзвуковой струи кислорода. Р.А.Гроссом, В. Чикитцем и другими были проведены подобные опыты с детонационным сгоранием смеси е скачках маховской конфигурации, возникающих на клине в сверхзвуковой части аэродинамической трубы [3,4,53. Как и у предыдущих авторов, смесь была сильно обеднена, а впрыск горючегс происходил в области докритического сечения трубы. Поскольку температуры за стационарными ударными скачками были ниже температур самовоспламенения, то реакция за ними объяснялась явлениями переноса. Р.И.Солоухин осуществил сжигание сверхзвуковой струи б пульсирующем скачке, возникающим перед
- 8 -
тупым телом [6,7,81. Для устранения преждевременного выгорания на стенках канала также подбиралась смесь с большой задержкой воспламенения. Развитие сверхзвуковой авиации стимулировало исследования сверхзвукового горения, а также расчеты детонационного сгорания в камерах ПВРД, результаты которых можно частично найти в работах С13-29].
По другому пути пошёл Б.В.Войцеховский, использовав аналогию сжигания смеси в детонационном спине, структура которого была открыта им и соавторами [303. Как поперечная волна в ударно-детонационной конфигурации движется вдоль переднего ударного фронта и сжигает ударно-сжатую смесь, так же она может сжигать и свежую смесь, двигаясь перпендикулярно потоку. Для этого нужно заменить передний ударный фронт стенкой, через которую подается смесь, и обеспечить условия обновления смеси перед поперечной еолной. Созданию этих условий наиболее соответствуют замкнутые кольцевые каналы.
Первая камера, в которой удалось осуществить непрерывный детонационный режим сжигания ацетиленокислородных смесей, разбавленных аргоном, представляла собой плоский кольцевой канал, в который подача смеси осуществлялась через внутренний узкий щелевой зазор, а ьыброс продуктов через более широкий наружный зазор [9-11, 303. Поперечная детонационная волна распространялась внутри канала перпендикулярно натекающей смеси. Диаметр канала подбирался таким, что за время одного оборота детонационной волны или группы волн смесь успевала обновляться. Скорость поперечных детонационных волн (ЦЦБ) вдоль канала в этих опытах была близка к скорости звука в продуктах реакции. Е.В.Войцеховскому удалось найти и наиболее эффективный способ фоторегистрации детонационной
структуры поперечных волн, а еще ранее, детонационной структуры спина и многофронтовой структуры [30,313. Речь идёт о методе компенсации скорости, когда скорость плёнки устанавливается по величине и направлению равной скорости перемещения изображения [323. В случае стационарной детонации в плоском кольцевом канале фиксировалась треугольная область свечения бег видимых ударно-детонационных скачков. Были построены предполагаемые структуры поперечной волны и течения в их окрестности, на основании которых строилась модель для расчёта параметров детонации [303.
* По неопубликованным данным проводились пробные эксперименты в камере кольцевой цилиндрической геометрии с заужением на выходе при раздельной подаче ацетилена и кислорода. Здесь также наблюдали детонационные явления. Камера сгорала, когда детонация е ней не возбуждалась (не было слышно характерного высокочастотного свиста), что связано, по-видимому, с нарушением смесеобразования из-за несовершенства, форсунок и попаданию струй кислорода на стенки, или с повышением тепловых потоков в стенки.
Исследование режима стационарной детонации в плоских кольцевых каналах были продолжены В.В.Михайловым и М.Е.Топчияном СЗЗЗ, А.А.Васильевым [343, которые также получали околозвуковые режимы. С помощью высокочастотных датчиков давления на основе титаната бария ими были измерены профили давления в поперечной волне. Оптическая регистрация , проведшая методом компенсации скорости, давала только светящуюся треугольную область без видимых скачков уплотнения. Эти работы не прояснили до конца структуру волны. А.А.Васильев измерил среднюю температуру газа в камере с помощью малоинерционных термопар.
- 10 -
Непрерывное детонационное сжигание пропана е трубчатом кольцевом канале с выводом продуктов через кольцевую щель было позднее осуществлено Брианом Д.Эдвардсом [353. Скорости волн были близки к акустическим в продуктах сгорания. Структура волн оптически ке разрешалась. Скачки давления, измеренные датчиками, превышали начальное давление в 10-15 раз. Известны две зарубежные теоретические работы: Сена и Адамсона [353, Адамсона и Олссона [373, в которых по двумерной стационарной модели был произведен расчёт параметров детонации для цилиндрической камеры в случае заужения канала на выходе. Е первой работе фронт поперечной детонационной волны занимал всю длину камеры, а ео второй- лишь её часть вблизи поверхности впрыска смеси. В критической части предполагалось звуковое течение.
После опытов Б.В.Войцеховокого за рубежом было оформлено несколько патентов по использованию режима непрерывного детонационного сгорания в ракетных двигателях [35-413. В ЖРД и двигателях внутреннего сгорания с помощью датчиков давления и оптических методов фиксировали явления типа детонационных [42-51]. В двигателях, работающих на тьёрдом топливе, также наблюдали тангенциальные колебания давления ("зонанс") [523.По структуре, скорости и уровням давлений эти волны были близки к акустическим. О.Ф.Арьковым и др. была высказана идея о спиновой детонационной природе тангенциальных высокочастотных колебаний в ЖРД С533. Работа носила обзорный характер и не содержала конкретных экспериментальных и теоретических исследований этой идеи. В Институте гидродинамики СО АН СССР в 1954 г. была изготовлена и испытана камера детонационного сгорания кольцевой цилиндрической геометрии с заужением [34]. Как и за рубежом [12],
- 11 -
осуществить непрерывный детонационный процесс б камере такой геометрии ке удалось.
Исследования непрерывной детонации по схеме Б.В.Войцеховскогс были продолжены автором настоящей работы совместно с В.В.Митрофановым и И.Д.Клопотовым. Позднее к ней подключались
0. А.Ждан, А.М.Мардашев, А.А.Васильев, а в последнее время Е.Ф.Ведерников. Целью работы было осуществление и исследование непрерывного детонационного сжигания широкого класса топлив для дальнейшего практического использования в двигателях и энергетических установках.
Для решения этой задачи автором сконструированы все используемые в работе камеры сгорания и разработаны способы подачи топливных компонентов. В камере цилиндрической геометрии бее заужения выходного сечения и раздельной подачей топливных компонентов получены режимы непрерывного детонационного сгорания газообразных [543, двухфазных [553 и жидких компонентов [563. ПДВ имели структуру подобную спиновой в круглой трубе, но без переднего фронта и с некоторыми другими особенностями, связанными о его отсутствием. Экспериментально и теоретически выяснены основные закономерности, характерные для существующих ПДВ [54-673. Обнаружилось снижение тепловых пстокое е стенки камеры в режиме детонации по отношению к режиму горения при одинаковых расходах топлив [68,691. Разработка фоторегистратора с падающим барабаном позволила разрешать процессы микрос-екундного диапазона, протекающие в области ПДВ, на протяжении длительного времени (до 1с) о высоким постоянством скорости развёртки [70,713. На способ сжигания топлива получен патент [723. С.А.Жданом, А.М.Мардашевым и В.В.Митрофановым созданы более совершенные модели для расчёта
- 12 -
параметров в области ПДВ [73-753.
В камерах плоскорадиальной геометрии при истечении «к периферии выявлены самоподдерживающиеся пульсирующие режимы сжигания активных газовых смесей в радиальных волнах [76]. В некоторых диапазонах давлений детонационные режимы существовали при отсутствии стенок [773. Наконец, в вихревой камере плоскорадиальной геометрии при истечении к центру осуществлено непрерывное детонационное сжигание не только топливокислородных, но и топливовоздушных смесей (ТВС) [78-801, а также обнаружено самовоспламенение смеси [81,823. В работах [83-85] определены параметры потока и структура течения воздуха в камерах этой геометрии, а в работе [86] - оптимальный профиль сечения форсуночных отверстий.
Данная работа посвящена экспериментальному исследованию непрерывного детонационного сжигания топлив в камерах различной геометрии.
В первой главе дано описание экспериментального стенда, схемы установки, устройства камер детонационного сгорания (КДС), форсунок. Приведены методики измерения расходов топливных компонентов и коэффициентов расхода, давлений, силы тяги и удельного импульса, тешюЕых потоков в стенки камеры и температуры газа, скорости потока воздуха в вихревой плоскорадиальной камере в переходном и стационарном режимах. Рассмотрены методы регистрации ПДВ и определения их скорости, а также числа Маха в потоке. Описано устройство и работа фоторегистратора с падающим барабаном.
Во второй главе рассмотрены условия существования и свойства ПДБ в цилиндрической камере детонационного сгорания.
- 13 -
Анализируется сходство и различие процесса со спином в трубах. Особо отмечена роль смесеобразования. Показано отрицательное влияние на существование ПДВ заужения кольцевого канала на выходе, радиальных перегородок, грубого перемешивания, пористости и малой теплопроводности стенок. Найдены профили форсуночных отверстий для уменьшения влияния процессов ь камере на систему подачи. Определены пределы по перепаду давления на форсунках, по начальному давлению смеси перед фронтом ПДВ, по концентрациям, по размерам камеры. Для газокапельных систем показана важность места и способа подачи жидкой фазы. Рассмотрена возможность использования КДС в качестве химического реактора на примере получения сажи. Разработана модель течения, позволяющая оценивать параметры ПДВ и течения в камере кольцевой цилиндрической геометрии. Рассмотрена структура течения в ПДВ и её окрестности. Выделены особенности структуры для газовых, двухфазных и жидких компонентов. Выявлена бочкообразная структура течения за фронтом сильных ПДВ. Определена, граница сверхзвукового и дозвукового потоков в неподвижной системе координат, а также граница области, через которую возмущения не проходят во внутрь камеры. Приведены дачные экспериментов по определению удельного импульса. Отмечено положительное влияние ПДВ на полноту сжигания топлива. Определены тепловые потоки б стенки КДС при нестационарном тепловом нагреве. Отмечено снижение тепловых потоков в стенки камеры постоянного сечения при детонации по сравнению с режимом обычного горения в камере с заужением выходного сечения. Сделаны попытки детонационного сжигания керосина в воздухе и отмечены трудности осуществления даже обычного режима горения в короткой камере цилиндрической геометрии. Активация топливовоздушных смесей путём
- 14 -
предварительного нагрева керосина до температуры кипения или подмешивания продуктов сгорания не способствует детонационному, но активизирует обычное горение. Отмечено положительное влияние на детонацию аэрирование керосина (истечение наполненного воздухом керосина- “пены”)* Рассмотрена модель расчёта параметров детонации, распространяющейся по частично перемешанной газовой и газокапельной системам, которая подтверждает снижение параметров детонации с уменьшением степени перемешивания компонентов, отклонении от стехиометрии, подмешивании продуктов и инертных добавок, а также даёт некоторые аппроксимирующие формулы для основных параметров детонации.
В третьей главе рассмотрены непрерывные детонационные процессы в камерах плоскорадиальной геометрии при истечении к периферии и к центру. При истечении к периферии исследованы самоподдерживающиеся режимы непрерывного детонационного сжигания ацетиленокислородных смесей в пульсирующих радиальных волнах, а также с дожиганием в тангенциальных Еолнах. Показано, что радиальные волны инициируются скачками торможения в потоке продуктов на выходе из камеры при попадании в них недогоревшей смеси. Отмечено, что вблизи пределов детонации реализуются режимы с поперечными детонационными волнами (ПДВ), которые могут существовать при очень низких перепадах давления на форсунках и докритическом истечении топливных компонентов. Показана, возможность непрерывного детонационного сжигания ацетиленокислородных смесей в свободном пространстве в системе сталкивающихся поперечных волн, при этом критический размер детонации свободного натекающего газового слоя в 4-5 раз меньше свободного столба одноимённой смеси. Отмечено, что детонационный
- 15 -
фронт, распространяющийся в камерах в камерах плоскорадиальной геометрии с истечением к центру, рассматриваемый изолированно, не является самоподдерживакщимся. Самоподдерживающимоя является весь ударно-детонационный комплекс и акустическое поле камеры. Показано, что при оптимальных размерах геометрия плоскорадиальной камеры с истечением к центру является более благоприятной для поддержания детонационного горения по сравнению с цилиндрической и, тем более, по сравнению с плоскорадиальной с истечением к периферии. Рассмотрены реализованные режимы непрерывного детонационного сжигания топливовоздушных смесей (ТВС) в проточней камере сгорания. Показано, что за счёт вращательного движения топливной смеси можно значительно повышать давление на периферии дискообразной камеры, снижая порог возбуждения детонации. При этом давление в камере у цилиндрической стенки после возбуждения детонации оказывается примерно на 30% ниже, чем при истечении холодных топливных компонентов. Даны оценки средних давления и плотности в камере с использованием модели потенциального вихря для холодной смеси и горячих продуктов. Показано, что в случае выходного отверстия, равного половике диаметра камеры, модель потенциального вихря даёт удовлетворительные результаты. Сделаны оценки мин шаль ног о диаметра камеры - 25 размеров критического слоя детонации топливной смеси. По щелевым фоторазверткам процесса восстановлена двумерная квазистационарнач структура течения в камере. Одна из характерных структур имеет близкое сходство с течением в поперечном сечении трубы при обычной спиновой детонации. Другая отличается наличием косого ударного предвестника и детонационным горением в отраженной волне без маховской ножки, впереди которой на расстоянии ^1/3 длины
- 16 -
окружности распространяется косая волна, тормозящая поток продуктов. Получены оценки основных параметров течения в окрестности поперечной детонационной ЕОЛНЫ.
Б четвёртой главе рассмотрено самовоспламенение холодных топливных компонентов при Бдуве б плоскорадиальную камеру с истечением к центру и проведён поиск причин возникновения этого явления. Установлено, что в вихревом потоке воспламенение наступает на периферии камеры и тем быстрее, чем больше воздух обогащён кислородом, меньше выходное сечение камеры, а также во время наполнения камеры окислителем. Отмечено более быстрое воспламенение керосина при его аэрации в коллекторе. Б случае радиальной подачи самовоспламенение носит принципиально другой (ударный) характер - в центре камеры и при подаче активных компонентов (водород-кислород). Исследовано течение Еоздуха (без горючего) в плоскорадиальной вихревой камере в переходном и стационарном режимах, в результате чего выяснено, что наблюдаемые температуры явно недостаточны для быстрого воспламенения поступающей в холодную камеру топливной смеси. Механизм самовоспламенения смесей остался невыясненным. Обнаружены электромагнитные явления в вихревом потоке воздуха, которые, по-видимому, имеют отношение к самовоспламенению топливных смесей. Также экспериментально подтверждено наличие двух областей течения: в ядре потока и в торцевом пограничном слое. Измерены направления потоков ь обеих областях в переходном и стационарном режимах. Обнаружено, что в переходном режиме течение во всем объёме камеры вихревое. В стационарном режиме в ядре потока от периферии до 2/3 радиуса камеры течение приближается к квазтвердому вращению, а в промежутке между указанной областью и
- 17 -
выходным отверстием течение приближается к течению в потенциальном вихре, Выявлен -эффект концентрации частиц тяжелее воздуха (горящих частиц алюминия) в торцевом пограничном слое. Описана экспериментально обнаруженная вихревая структура течения с характерным размером вихрей 1/10-1/20 размера основного вихря. Оси вихрей перпендикулярны торцевым стенкам камеры. Произведена интерпретация вихревой структурой течения. Проведено вычисление вихревой составляющей скорости в ядре потока во времени, по радиусу и оси камеры. Б стационарном режиме её максимальные значения имеют место на расстоянии ^ 2/3 радиуса камеры (на границе квагитвердого вращения и потенциального вихря). Отмечено возникновение колебаний давления воздуха в коллекторе, частота которых коррелирует с частотой колебаний потока в камере. Обнаружены энтропийные потери вдоль радиуса камеры, которые особенно проявляются в переходном режиме. Выяснено, что в камере плоскорадиальной геометрии эффект Ранка не существует или очень слабо выражен, хотя в переходном режиме и наблюдается теплообмен между слоями течения.
Работа апробирована на научных семинарах Института гидродинамики им. М.А.Лаврентьева СО РАН, межинститутских семинарах СО РАН, частично докладывалась в НИК ТП (г.Москва) и в Куйбышевском авиационном институте, полностью докладывалась на семинарах: Института Механики МГУ, ЦАГИ, ЦИАМ, объединённого ЯВТАНа, Ш>Тй (ФАЛТе); частично на Всесоюзных (Всероссийских) и международном симпозиумах по горению и взрыву.
Результаты получены при выполнении: научных планов Института гидродинамики им. Лаврентьева СО РАН; научно-технических договоров с другими организациями; двух грантов РФФИ, в одном из
- 18 -
которых автор был ответственным исполнителем (2 года), в другом-руководителем (3 года). Материалы диссертации отображены в 28 научных трудах, получено одно авторское свидетельство на изобретение и один патент. Многие экспериментальные результаты подтверждены расчётом.
Автор выражает благодарность заведующему лаборатории детонационных процессов, д.ф.-м.н., профессору В.В.Митрофанову за. многолетнее плодотворное сотрудничество по данной тематике и предоставление всех возможностей для реализации творческого потенциала. Автор благодарен также инженеру Е.Ф.Ведерникову за обеспечение работы экспериментальных установок и проведение очень тонкой работы по изготовлению малоинерционных датчиков давления и термопар. Поскольку работа экспериментальная и требовала больших усилии на изготовление деталей, автор благодарен В.Т.Шабуркину,
Я.Г.Тктаренко, Л.С.Чухановой, В.Н.Лаврехе, Н.М.Новикову,
В.й.Кузнецову, В.3.Данилину и другим работникам цеха за добросовестную и качественную работу. Автор признателен и другим службам института: электрикам, снабжению, библиотеке, оформительскому отделу за доброжелательность и постоянную помощь в обеспечивании нормальной работы.
- 19 -
Глаза 1
1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ КАМЕРЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ
1.1. Испытательный стенд
Для экспериментального исследования детонационного сгорания был оборудован испытательный стенд (Рио. 1.1.), состоящий иа огневой камеры (ОК), аппаратурного бокса и пульта управления. ОК предназначена для выброса продуктов детонации и имеет объём 60 м3. В ряде экспериментов использовалась ОК с объёмом 0.5 м3, из которой выкачивался воздух. В специальных экспериментах использовалась ОК с объёмом 0,02 м3.
В аппаратурном боксе размещались: камера детонационного сгорания (КДС), система подачи топлива, высоковольтная установка (ВУ) для инициирования детонации, фоторегистратор (ФР), измерительная система, датчики. Вся питающая и регистрирующая аппаратура, пульт управления располагались в отдельном помещении на расстоянии 25 м от ОК. При отсутствии опасности возникновения пожара регистрирующая аппаратура располагалась в аппаратурном боксе.
1.2. Экспериментальные КДС и форсунки
Использовались плоские (а), кольцевые цилиндрические (б), плоскорадиальные с истечением к периферии (в) и плоскорадиальные с истечением к центру (г) камеры сгорания (Рис. 1.2,а-г). Б
Рио. 1.1. Испытательный стенд.
vSf,I
- 22 -
некоторых экспериментах в камерах а), б) и в) производилось пережатие выходного сечения от 5* до 6К'. В камере б) иногда устанавливались радиальные перегородки* Варьируемые размеры камер: наружный диаметр (Бк), внутренний диаметр (сЗк), зазоры (5К и бк ), длина Ьк и ширина Вк представлены в таблице 1.1.
Таблица 1.1
камера ! Г 1 Г 1 Ок ! бк 1 бк 1 1 бк' I Ьк 1 Вк
(по Рис Л. 2) | ММ | ММ I ММ 1 ММ 1 1 мм | 1 мм
а) - 1 - 12,5-5 | ! 2,5 | г 100 | 40
б) 40-280 | Вк-бк 11,25-0к/211,25-10(20-100 | -
в) (40-100 (20 |1,5-оо(без| 1,25-5 [ 10-40 | -
| | стенок) 1 1 1
Г) !80, 204(0-100(5-15 | - ! (0к“6к)/21 -
Геометрия камер изменялась: в камерах а) с помощью плоских вставок (изменение бк и Ьк); б) - сменной осевой вставкой и различными величинами 0К} ак> Ьк; в) - кольцом, примыкающим к одной из стенок: г) - величинами с.к и бк*
Для инициирования процесса в зависимости от условий эксперимента имелись: высоковольтный ввод, канал для создания струи продуктов детонации или гнездо для детонатора. Для наблюдения процесса имелось продольное окно, в которое вклеивалась вставка- из оргстекла. Оргстекло оказалось наиболее подходящим прозрачным материалом при наличии высокой температуры и ударных нагрузок. В тех экспериментах, где параметры волны были невысоки, на оргстекло наклеивалась пластинка из кварца,
- 23 -
благодаря чему увеличивалось число опытов без замены вставки. При исследовании течения воздуха в вихревой плоскорадиальной камере стенка , расположенная напротив выходного отверстия, полностью выполнялась из оргстекла.
В зависимости от вида и способа перемешивания топливных компонентов конструировались и изготавливались различные форсунки:
Тип А - двхструйная со скрещивающимися струями (рис. 1.3,а),
Тип Б - тангенциальная подача газообразного окислителя и осевая подача жидкого горючего (ряд конструкций имел подачу горючего под углом к оси камеры) (рис. 1.3,6),
Тип В - коаксиальная подача горючего и окислителя (рис. 1.3,в),
Тип Г - трехструйная со сталкивающимися струями (рис. 1.3,г). Отверстия в форсунках располагались равномерно вдоль-детонационного канала.
1.3. Экспериментальная установка
Один из вариантов схемы экспериментальной установки изображен на рис. 1.4. Другие установки отличались вариацией камер, системами подачи топливных компонентов, способами регистрации исследуемых параметров в соответствии с поставленной задачей.
Последовательность работы элементов установки, их синхронизация во времени задавались синхронизирующим устройством. После проведения необходимых подготовительных работ барабан фоторегистратора (ФР) раскручивался до требуемой скорости (обычно 100 м/с или 73.5 об/с) и включался "Пуск”. Открывались клапаны-тиратроны КТ1 и КТ2, время срабатывания которых,в
ПІ
ІЇЇГШТ
Схема установки (один из варианта
зависимости от конструктивного исполнения составляло 1-10 мс. Топливные компоненты поступали в КДС, где происходило их перемешивание. Затем производилось инициирование и устанавливался процесс, который регистрировался на пленку ФР. Регистрирующая аппаратура записывала исследуемые параметры режима. В нужный момент клапаны закрывались и процесс заканчивался.
Газовые компоненты поступали в КДС непосредственно из ресиверов, а для жидкостей использовалась вытеснительная система подачи, где жидкости вытеснялись из специальной ёмкости после пдъёма давления воздуха над поршнем и разрыва мембраны, отделяющей ёмкость от форсунок. Для устранения выкипания жидкого кислорода ёмкость под кислород снабжалась внешней рубашкой, заполняемой жидким азотом.
1.4. Методы измерений
1.4.1. Измерение давлений
Для измерения давления в ресиверах, трубопроводах, устройствах измерения силы тяги КДС использовались теизометрические датчики, изображенные на рис. 1.5.
Чувствительным элементом являлся полупроводниковый тензорезистор марки Ю8А-3, наклеенный на цилиндрическую (рис. 1.5.а) или плоскую мембрану (рис. 1.5,б,в). К входному отверстию датчика подсоединялась приёмная трубка, которая вводилась в поток. Для предотвращения температурных воздействий на чувствительный элемент бо время измерений внутренняя полость корпуса заполнялась водой или покрывалась слоем солидола. Собственная частота
о)
)
-Ш
5;
6)
- 0^!
Г-+— л гь 1 1 1 Н-
1 V/ г»
г
Рис. 1.5. Датчики давления.
Рис. 1.5. Спад давления гага в ресивере
У 2 3
Рис. 1.7. Датчик для измерения тепловых потоков в стенке камеры и схема их установки.
Рис. 1.8. Термопара для измерения температуры потока газа.
- 27 -
колебаний мембран датчиков составляла 1-2М Гц [773. Разрешающая способность датчика а) зависела от длины приёмной трубки и объёма полости корпуса, который уменьшался до минимума внутренней вставкой. Эти датчики использовались для регистрации переходных процессов с характерным временем не менее 1 мс. Разрешающая способность датчиков б) ив) была гораздо выше. Она зависела в основном от длины приёмной трубки и для трубки длиной 7,-5 мм составляла ^25 мкс. Эти датчики надежно измеряли сигналы с периодом до 200 мкс. В зависимости от ориентации трубки в потоке измерялось статическое (б) или полное (в) давления. Трубка датчика статического давления устанавливалась перпендикулярно потоку. Для выравнивания потока около приёмного отверстия на торце трубки имелась тонкая круглая пластика. В одном из вариантов трубка датчика полного давления имела закрытый торец и бокоьое отверстие, которое ориентировалось навстречу потоку. Отверстие раззенковывалось, что давало возможность поворачивать трубку на ±30° относительно направления потока, не превышая при этом ошибку измерения давления на ±1,5 % [683. Использовались также датчики с приемной трубкой 0 1 мм, отогнутой навстречу потоку.
Б конструкции датчиков, схеме измерения предусматривалось всё возможное для устранения паразитных пульсаций. Использование полупроводниковых тензорезиоторов, не требующих усилителей сигналов, малое сопротивление датчиков (100-200 Ом), применение мостовых схем, питающихся от аккумуляторов или специально разработанного стабилизированного источника питания, снимало проблему паразитных колебаний в измерительной цепи. Развязка мембраны о датчиком от корпуса способствовала стойкости против
- 28 -
акустических колебаний е корпусе- датчики не реагировали на удары по корпусу и приёмным трубкам.
Дополнительно проводились контрольные опыты. В одном ив них отверстия е приёмных трубках закрывались. В вихревом потоке колебания не фиксировались, то есть датчик не реагировал на звуковые возмущения в стенке камеры и вибрацию приёмных трубок. В другом опыте полости в приёмных трубках заполнялись солидолом. Пульсации давления исчезали из-за демпфирования их вязкой средой, но регистрировалась постоянная составляющая давления.
И, наконец, производилась регистрация полного давления е трубке диаметром 18 мм и длиной 1 м, зауженной на выходе в 2 раза для создания в ней дозвукового течения. Трубка подсоединялась к клапану системы подачи . Колебания с меньшей частотой возникали при заполнении трубки воздухом, когда неизбежны ударные волны после открытия клапана. Затем никаких пульсаций не регистрировалось. На оснований проведённых опытов можно сделать вывод о том, что датчик не реагирует на звуковые колебания в корпусе камеры, вибрацию его элементов и не генерирует звуковых колебаний в полости приёмных трубок.
Запись сигналов производилась на осциллографы Н-700, 08-13 или С9-16. Последний двух лучевой цифровой ос-идл л ограф позволял сопоставлять Еременные интервалы сигналов с точностью до микросекунд. В зависимости от поставленной задачи датчики подвергались статической или динамической тарировке. Целью динамических тарировок было создание условий, сравнимых с условиями эксперимента. Следует отметить, что используемые чувствительные элементы датчиков могут достаточно точно воспроизводить профиль давления в ударной волне,
- 29 -
распространяющейся б твёрдом теле С893. Нелинейность сигналов с датчиков не превышала 1 % при перепаде давлений на 50-10° Па. Общая среднеквадратичная погрешность измерений по оценкам не превышала ±3 %.
1.4.2. Измерения расходов топлива и коэффициентов расхода
1.4.2.1. Измерение расхода жидкого горючего и жидкого кислорода.
Измерение расхода производилось по перемещению поршня, регистрируемого с помощью реостатного датчика, включенного в мостовую схему (см. рис. 1.4). Реостатный датчик выполнен из медной проволоки и имел длину, равную максимальному ходу поршня. Выбор медной проволоки позволил при больших перемещениях поршня (0,5 м) иметь изменение сопротивления плеча моста на 10 %, что приводило к нелинейности измеряемой величины на 0,5 %, Ї903. Питание моста осуществлялось от стабилизированного источника постоянного тока. Расход находился по формуле:
С=к-Зп- (бу/сИ:) -рж, где к=Л1/Лу - коэффициент, связывающий перемещение поршня с перемещением луча осциллографа, Зп - площадь сечения поршня, Ду/ДЬ - скорость отклонения луча, рж - плотность горючего или кислорода. По оценкам, наиболее вероятная ошибка измерения расхода не превышала 2 %.
1.4.2.2. Измерение расхода газа
Средний расход газа определялся по разности давлений в
- зо -
ресивере, измеренных перед экспериментом и после эксперимента, когда температура газа выравнивалась с температурой стенок ресивера:
<6>=ДР* (Ур/ДО -ргі где ДР - изотермическое изменение давления в ресивере за время эксперимента, Ур - объём ресивера с трубопроводами до клапана, М - время истечения газа, рг - плотность газа, соответствующая температуре окружающей среды. При перепускании газа из большого баллона в малый ресивер температура газа в ресивере за счёт работы сжатия поднималась до величины Тор-Г0*тг# где Т0 -температура газа в большом баллоне, т=сР/Су - отношение удельных теплоёмкостей. Примерно через 5 минут температура газа выравнивалась с температурой ресивера и начинался эксперимент. Наиболее вероятная погрешность при определении среднего расхода газа составляла по оценкам не более 3 %.
Поскольку истечение газов происходило из ресиверов конечного объёма, то в течение эксперимента расход газа понижался. Решение задачи об сверхзвуковом истечении газа из конечного объёма даёт следующие известные зависимости:
-2/01) -2у/(г~1) -00/01)
р/р= (1+сі) , Р/Ро=(1+сО , (ЗДЗо=(1+с1) , (1.1)
где ро, Р0, 60 - начальные плотность,давление и расход,
1/01)
0-С2/(Г+1)3 •С01)/2]-СС2г/(ї+1)3-Р0/роЗ> 'З^-д/Ур - (1.2) постоянная, зависящая от геометрии системы подачи и вида газа,
- сечение форсуночных отверстий, [і - коэффициент расхода,
Gc=vP’ (dp/dt) i t=o=V C2/(r-D ] -c-po.
При вычислении текущего среднего расхода <G> также использовалось выражение:
1/Г 1/т
<G>=po* CVp/(ta-ti)3•[(Pi/Po) - (P2/P0) 3, где Pi и ?9 - значения давлений в моменты времени ti и ts.
Для ресиверов Yp=4,3 л (кислород), Vp=2,£ л (горючий газ), работающих с камерой цилиндрической геометрии Dr=40 мм, и форсунки типа А, имеющей 5Фо=15 мм2 (кислород) и ЗфГ=10 мм2 (горючий газ), изменение текущих значений р, Р, G к коэффициента избытка горючего Ф по отношению к начальным за время t=0,3 с приведено е таблице 1.2:
Таблица 1.2
газ | 1 02 1 С3Н3 | ! ! О2Н2 I СН4 i
р/ро ! 0,825 | 0,825 | 0,765 | 0,708
F/Po I 0,764 0,804 ! 0,714 i 0,537
Q/Go ! 0,794 1 0,814 | 0,74 i 0,671
ф/Фо | - | 1,02-5 | 0,932 ! 0,645
Для выбранных горючих величина Ф/Фф уменьшается с уменьшением стандартной плотности газа. Для пропанокислсродного топлива величина Ф/Ф0 оставалась практически постоянной на протяжении всего эксперимента. Для метанокислородного топлива изменение величины Ф/Ф0 составляло около 16 %. С камерами Рк=50-100 мм использовались, как правило, ресиверы УР=40 л и изменение указанных параметров не превышало вышеприведенных значений.
- 32 -
Использование этих ресиверов в качестве воздушных для подачи жидких топливных компонентов обеспечивало В=оопз1 и Ф=сопзб.
Влияние на величины 6 и Ф могли оказывать лишь процессы в НДС и тракте подачи жидкого кислорода.
Особенно заметно изменение Ф в случае подачи двухфазных компонентов, поскольку для жидкости С=сопз1, а 6с газообразного кислорода уменьшается. Обычно изменение Ф за время эксперимента составляло VI5 %, В случае измерения удельного импульса I (см. разд. 1.4.3.) этот факт принимался во внимание и производилась регистрация давления подачи кислорода в течение всего эксперимента. Необходимость в непрерывном измерении давления подачи возникала и в тех случаях, когда концентрация одной из компонент значительно изменялась в течении эксперимента, например, в случае определения минимальной для детонации концентрации Ог при детонации -ацетилена.
1.4.2.3. Измерение коэффициентов рзсхода
Если известна кривая спада давления в ресивере (рис. 1.6), то из выражения (1.1) по известному давлению Рс и произвольному текущему давлению Р1, соответствующему времени 11, можно вычислить постоянную с:
-(т-1)/гт
с=[(Р1/Ро) -13/11, (1.3)
а из выражения (1.2) - коэффициент расхода р,. Этим методом определялась величина ц для форсунок и насадков различных профилей. При этом не требовалось вычисления самих расходов, а определение постоянной с - перевода амплитуд кривой в единицы
- 33 -
давления. В этом случае максимальная ошибка вычисления с определялась точностью измерения амплитуды и времени ка экране осциллографа. Например, для осциллографа 08-13 она составляла по паспорту соответственно 5 и 1,5 %, а. вычисленные по формуле (1.3) значения величины с могли отличаться от истинных на 3,1 %. Для увеличения точности вычислений обсчитывалось до 10 точек на кривой Р(1) и находилось среднее арифметическое значение с. в результате чего точность вычислений повышалась до -Л %.
Погрешность вычисления определялась также точностью измерения температуры газа, по которой вычислялась рс, объема Ур с трубопроводами и площади сечения 5$. Для форсунок значения ц вычислялись приближенно, а для насадков, моделирующих сечения форсуночных отверстий, подход был более строгим. Температура фиксировалась термометром с точностью ±1°, что приводило к погрешности ^0,3 %. Объём ресивера определялся измерительным инструментом и дополнительно заполнением водой из мерной колбы. Погрешность определения Ур не превышала 0,5 %. Величина калибровалась по конусу с углом раствора 3°. Диаметр калибровки измерялся микрометром с точностью 0,01 мм, в результате ошибка вычисления Зф для диаметра отверстия 5 мм не превышала 0,2 Окончательно суммарная среднеквадратичная ошибка измерения коэффициента расхода ц не превышала ~Л,2 %.
Использование (формул (1.1-1.3) предполагает адиабатичность истечения газа из ресивероЕ за Бремя эксперимента, которое не превышало 0,5 с. Оценки показывают, что за это время характерная толщина прогрева воздуха вблизи стенки ёмкости к=(аЬ)с> 5 (а - температуропроводность воздуха) не превышает 2 мм. Например, для ресивера Ур=1,6 л значение к не превышало 2 % его диаметра.
Поэтому течение газа из ресиверов можно считать адиабатическим, для подтверждения этого внутренняя поверхность ресивера обкладывалась слоем бумаги, что уменьшало теплоотдачу от стенок в процессе истечения газа. В пределах ошибки измерения давления характер истечения при этом не изменялся.
1.4.3. Измерение силы тяги и удельного импульса
Измерение силы тяги производилось для камер кольцевой цилиндрической геометрии. Использовалось дЕа метода:
1) по регистрации давления под поршнем гидравлического демпфера (см. рис. 1.4, датчик, ді);
2) по скорости перемещения поршня гидравлического демпфера (реостатный датчик де).
Для устранения колебании КДС подвешивалась в отверстии торцевой стенки огневой камеры и имела упор в отдельно расположенное тело массой 9 т через гидравлический демпфер и жесткую штангу.
Величина силы тяги по первому методу определялась из выражения: М=РТ*ВП, где Рт - давление под поршнем, Бп - площадь поршня. Среднеквадратичная погрешность измерения не превышала 2 %.
Второй метод основал на соответствии силы тяги скорости перемещения поршня относительно цилиндра, которое регистрируется реостатным датчиком де,включенному б мостовую схему. При возникновении силы тяги в полости 2 гидравлического демпфера возникает давление, под действием которого жидкость из полости 2 через перепускной канал перетекает в полость 3. Для ограничения скорости поршня и возможности измерения тяги на протяжении всего