Горение смесевого твердого топлива

• 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:
• Т_ц — «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:
• U_т = 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 б_ст.
• 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 d_пред, начиная с которого температура пламени остаётся постоянной (d_пред? 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 максимальной температурой пламени и поверхностью горения (h_max) уменьшится в два раза.
• Для всех смесевых топлив расстояние (h_max) на порядок меньше, чем у баллиститных порохов (h_max? 0.2 — 0.5 мм).
• При проведении экспериментального исследования с увеличение давления температура пламени растет; значительный рост температуры пламени наблюдается при низких давлениях; а в интервале 2 — 3 МПа достигается максимальная температура пламени. При низких давлениях не происходит полного реагирования продуктов сгорания и соответственно низкие температуры горения.
• Для всех смесевых систем в общем балансе тепла, поступающего на нагревание топлива, удельный вес тепла, выделяющегося в реакционном слое конденсированной фазы, увеличивается с ростом давления.
• Одной из особенностей процесса горения смесевых топлив при повышенных давлениях является существование видимого пламени. Поэтому исследование эмиссионного спектра пламени позволяет получить определённую информацию о механизме горения.
• Спектр излучения смесевого топлива имеет сложную структуру, в нём присутствуют спектральные линии продуктов сгорания, на которые наложен сплошной спектр излучения конденсированных продуктов сгорания.
• По высоте пламени смесевого топлива наблюдается определённая последовательность высвечивания спектральных линий продуктов сгорания. Непосредственно вблизи поверхности горения наблюдается излучение радикала ОН, превосходящее излучение С₂, СН, СN. С ростом температуры по высоте пламени увеличивается интенсивность излучения С₂, СН, СN.

2. Анализ и выбор метода исследования

Одной из основных задач изучения горения твердого ракетного топлива является определение поля температур продуктов сгорания и скорости горения при различных внешних условиях.

2.1 Методы создания условий эксперимента

Существует ряд методов, в которых измерение температурного поля и скорости горения производится на образцах топлива в специальных установках. В них горение образца происходит при повышенном давлении, характерном для двигателя.

Опытное определение поля температур продуктов сгорания может проводиться в установке постоянного давления (УПД) или в установке постоянного объема (УПО). Установка постоянного давления имеет два кварцевых окна — для визуализации объекта и для подсветки пламени, необходимой по условиям эксперимента.

В установке постоянного давления горение образца происходит при повышенном давлении, характерном для двигателя. Давление в УПД обеспечивается за счет подачи газа во внутренний объем установки из баллонов высокого давления. Во избежание влияния на процесс горения используются инертные газы (азот или гелий). В процессе эксперимента подача газа происходит непрерывно. Одновременно непрерывно производится удаление подаваемого газа и продуктов сгорания через специальное сопло-штуцер, что позволяет поддерживать постоянное давление в установке. Если объем установки велик, то в этом случае не требуется сопло-штуцер. Правда, надо иметь в виду, что произойдет задымление внутреннего объема продуктами сгорания топлива и будет невозможно использование оптических методов экспериментального исследования. Таким образом, в УПД горение топлива происходит в среде инертного газа при постоянном давлении.

В установках постоянного объема (УПО) топливо горит в среде собственных продуктов сгорания, как в двигателе. Давление в установке не остается постоянным, а непрерывно повышается по мере сгорания образца. Внутренний объем установки является замкнутым. Он должен быть малым по величине, чтобы обеспечить реализацию высокого давления. Следовательно, в УПО горение топлива происходит при переменном давлении в среде собственных продуктов сгорания.

В УПД и УПО используются небольшие образцы цилиндрической или прямоугольной формы. Их максимальные размеры: длина не более 40 мм, поперечный размер не более 20 мм. Образцы горят по одной торцевой поверхности, а по боковой поверхности покрыты бронирующим составом, предохраняющим эти поверхности от горения. Образцы закрепляются в специальной державке, расположенной в нижней части установки. Воспламенительное устройство, в большинстве случаев, представляет собой пластинку топлива малой толщины, на которую намотана тонкая проволочная спираль из нихрома. При подаче электросигнала на воспламенение спираль раскаляется и поджигает топливную пластинку. Она приклеена к горящему торцу образца и обеспечивает одновременность воспламенения всей его поверхности.

2.2 Методы экспериментального исследования

2.2.1 Анализ и выбор метода измерения температурного поля

Используемые для измерения температуры пламени методы в основном уже известны из других областей применения. В общем случае эти методы дают результаты, которые, исходят из закономерностей теплообмена и физических свойств пламени, могут быть пересчитаны на искомую его температуру. Требуемые теорией измерений условия часто, однако, могут быть соблюдены лишь приблизительно, так что измеренная или рассчитанная температура может отличаться от действительной на 50 — 100 К. При выборе способа измерения руководствуются уровнем температуры, желаемой точностью и типом пламени.

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.

2.2.1.1 Радиационная пирометрия

Энергетический пирометр полного излучения показывает радиационную температуру, которая лишь для черных тел (е = 1) совпадает с действительной температурой. Температура пламени определяется из закона Стефана — Больцмана. При этом излучательная способность е должна быть известна. В зависимости от горящего вещества, типа горения и других параметров значение излучательной способности е изменяется от 0,2 до 0,95.

Быстродействие пирометра полного излучения незначительно. Вследствие требований к постоянству спектральной чувствительности в широком волновом диапазоне в качестве приемников излучения могут применяться термопары, болометры и др., инерционность которых в большинстве случаев составляет несколько секунд. Таким образом, пирометры полного излучения дают результаты, которые усреднены по пространству, времени и длинам волн.

Примером метода, с помощью которых может быть измерена излучательная способности, а, следовательно, и действительная температура пламени, является метод Шмидта.

Метод Шмидта, разработан первоначально применительно к излучению частиц, основан на сравнение излучения пламени с излучением определенного тела, помещенного за пламенем. При помощи пирометра с малым угловым раскрытием могут быть измерены три величины:

L₁ — энергетическая яркость излучения только самого пламени; при таком измерении излучающий задний фон (например, нагретую стенку печи) закрывают черной охлаждаемой пластиной, на которую визируют пирометр через толщу пламени;

L₂ — сумма энергетических яркостей излучения пламени и горячего тела, расположенного за пламенем (например, стенки печи);

L₃ — энергетическая яркость излучения только одного заднего фона.

Имеются следующие соотношения (индекс «3» относиться к заднему фону).

(1)

(2)

Где у — постоянная Стефана — Больцмана.

Из уравнения (2) получим коэффициент поглощения пламени:

(3)

Из определения понятий излучательной способности е и коэффициента поглощения б вытекают условия, при которых закон Кирхоффа справедлив не только для спектральных (б_л = е_л), но и интегральных величин (е = б), вследствие чего можно считать, что:

а) пламя дает серое излучение

б) нагретый задний фон дает либо серое, либо черное излучение с температурой, равной температуре пламени.

Из уравнения (1) следует:

где излучательная способность определяется из уравнения (3).

При высоких концентрациях сажи эту величину, таким образом, можно приблизительно как независящую от длины волны.

Согласно теории Ми, излучение пылеугольного пламени является серым. Вследствие относительно больших размеров частиц угольной пыли в сравнении с длиной волны излучение заднего фона будет не только поглощаться частицами, но и в определенной мере рассеиваться ими. В этом случае будет относительно большой коэффициент поглощения и соответственно измеренная температура окажется заниженной.

Вследствие четко выраженного селективного характера газового излучения предположение о сером излучении несветящегося пламени может привести к большим погрешностям. Необходимо, чтобы выполнялось второе из упомянутых выше условий. Если температура заднего фона слишком велика, то и измеренная температура пламени окажется завышенной, и наоборот.

На практике при точном измерении энергетической яркости L₃ встречаются трудности, связные с изменением температуры заднего фона. В исследовательских целях этот метод, однако, применяется часто. Среди преимуществ метода возможность измерения не только температуры, но также излучательной способности и энергии излучения.

2.2.1.2 Яркостная пирометрия

Температура светящегося и не светящегося пламени могут быть измерены двумя сходными методами: методом Курлбаума или методом обращения линий. Оба метода очень сходны с методом Шмидта и основаны на сравнении излучения пламени с излучением расположенного за ним черного тела в ограниченном интервале длин волн. Таким образом, к пламени должен быть доступ с двух противоположных сторон. В методе Курлабаума излучение сажи сравнивается излучением заднего фона. Во втором методе несветящееся пламя окрашивается добавкой какой-либо соли (например, NaCl), что приводит к линейчатому спектру. Во время измерения температура, а, следовательно, и яркость сравнения черного излучателя должны так изменяться, чтобы изображение, наблюдаемое при помощи спектрометра сквозь пламя, исчезло при наблюдении пламени. Визуальное сравнение с помощью спектрометра в методе обращения линий правомерно, однако субъективно. Вместо сравнения яркостей может быть произведено сравнение энергетических яркостей излучения с помощью фотоумножителя.

Ввиду того, что наблюдение ограничено малым диапазоном длин волн, может быть применен закон Кирхгоффа е_л = б_л, тогда из уравнения (2) при L₂ = L₃ следует T₃ = T. Температура заднего фона определяется по градуированной кривой температура заднего фона — ток нагрева.

Точность при сравнении яркостей свечения может быть несколько повышена, если пламя не слишком сильно мерцает и его яркость не меняется. Кроме того, пламя не должно быть оптически очень толстым, так как иначе б > 1 и задней фон через пламя не будет различаться. Те же условия должны соблюдаться при энергетическом сравнении. В этих случаях рекомендуется определять температуру из соотношения:

Где л_e — эффективная длина волны.

Трудности при сравнении яркостей возникают также при сильных температурных градиентах по оптической оси измерительного устройства. Сравнение энергий приводит в этом случае к температуре, усредненной по соответствующему объему.

При обработке результатов измерений следует всегда иметь в виду, излучение каких компонентов пламени измерены. Как правило, температура сажи совпадает с точностью до нескольких градусов с температурой окружающего газа. При известных условиях температура сажи может, однако, значительно превосходить температуру газа из-за освобождения теплоты реакции. В случае несветящегося пламени измеряется температура окрашенных слоев методом обращения линий. Результат зависит от того, каким образом добавляется красящее вещество. Энергия излучения паров красящего вещества обусловливает понижение температуры пламени на несколько градусов.

В том случае, когда к пламени имеется доступ только с одной стороны, описанные выше способы не применимы. Поскольку пламя является оптически достаточно плотным, можно измерить температуру пламени в видимой области спектра посредством яркостного пирометра с исчезающей нитью, т.к. в этой спектральной области излучательная способность оптически толстого пламени лишь на несколько градусов превышает измеренную.

2.2.1.3 Цветовая пирометрия

Соотношение Вина свидетельствует о том, что по мере повышения температуры тела максимум интенсивности излучения смещается в сторону более коротких длин волн. Таким образом, можно определить температуру по характеру распределения энергии в спектре излучения тела. Первоначально предполагалось определять температуру по цвету излучения, поэтому температура, определяемая таким образом, была названа цветовой, а совокупность методов такой термометрии — цветовой пирометрией. Цветовая пирометрия основывается исключительно на качественном характере распределения энергии излучения по спектру. Ниже приведены формулировки цветовой температуры.

а) Цветовая температура источника — температура черного тела, которое имеет то же относительное спектральное распределение, что и излучаемый источник.

б) Цветовой температурой источника является температура черного тела, которая для длин волн л₁ и л₂ обладает таким же отношением монохроматических яркостей, что и исследуемый источник.

в) Цветовая температура источника определяется сравнения излучения этого источника с излучением черного тела, температура которого изменяется до тех пор, пока его излучение станет того же цвета, что и источник.

Пирометры спектрального отношения так же, как и квазимонохроматические, поверяются по черному излучению, поэтому при измерении температуры черного тела показания пирометра соответствуют действительной температуре. У реального физического тела излучательная способность е_л1Т, е_л2Т для длин волн л₁ и л₂, могут различаться, следовательно, отношение L_л1Т/L_л2Т может отличаться от аналогичного отношения для черного тела при той же температуре. Поэтому показания пирометра спектрального отношения при измерении температуры нечерного тела могут отличаться от температуры действительной. Эта условная температура называется цветовой температурой тела.

Цветовая температура Т_с реального излучения, имеющего действительную температуру Т, — это такая температура черного тела, при которой отношение спектральных яркостей черного тела равно отношению спектральных яркостей L_л1Т/L_л2Т данного тела. Зависимость между цветовой температурой нечерного тела и его действительной температурой:

Если излучательная способность е_л1Т и е_л2Т равны (т.е. не зависят от длины волны), то правая часть формулы превращается в нуль, следовательно, цветовая температура тела равна его действительной температуре (методическая ошибка цветового метода в этом случае стремится к нулю). Такое равенство свойственно так называемым серым излучателям, у которых для всех длин волн спектра излучения монохроматический коэффициент имеет одно и то же значение.

Цветовая температура многих твердых и жидких тел значительно меньше отличается от действительной температуры по сравнению с радиационной и яркостной. Кроме того, поправки для перехода от цветовой к действительной температуре определяется с большой точностью, так как факторы, влияющие на спектральные коэффициенты излучательной способности е_л1Т и е_л2Т, значительно меньше влияют на излучение отношения данных коэффициентов. Значительно меньше на результаты измерения цветовой температуры влияет неселективное лучепоглощение в промежуточной среде.

Зависимость между переменными Т_с и :

Таким образом, логарифм отношения излучателя прямо пропорционален обратному значению цветовой температуры. Этой зависимостью можно пользоваться при градуировке пирометров спектрального отношения.

Преимущество цветовой пирометрии состоит в том, что цветовая температура для серого излучателя независимо от значения излучательной способности равна его действительной температуре.

2.2.1.4 Методика проведения эксперимента

Поле температуры будет измеряться методом цветовой пирометрии, этот метод имеет самую маленькую погрешность.

Преимущество цветовой пирометрии состоит в том, что цветовая температура для серого излучателя независимо от значения излучательной способности равна его действительной температуре.

При сером излучении цветовая температура T_r равна температуре Т:

(4)

е? f (Т) — серое излучение

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 по формуле (4) найти значение температуры.

Для тарировки необходимо иметь источник эталонного излучения, по которому будет производиться сравнение цветовых температур. В качестве такого излучателя может быть использована вольфрамовая лампа накаливания для спектральной области 0.3 — 0.7 мкм. Моделью чёрного излучения является вертикально расположенная вольфрамовая трубка диаметром 3.1 мм и длиной 25 мм, имеющая в осевом направлении прорезь шириной 0.2 мм, из которой выходит излучение. Трубка закрепляется на молибденовых или никелевых выводах и помещается в заполненную аргоном стеклянную колбу кварцевым окошком для выхода излучения. В области температур 2000 — 2400 К. Тарировка для цифрового фотоаппарата заключается в установке баланса белого, затем он вноситься в программу по обработке полученных в результате эксперимента данных (фотографий) и является характеристикой данного фотоаппарата.

Так как интересующая нас область находится в пределах одного миллиметра от поверхности горения, то для получения более полной информации необходимо иметь камеры с высоким разрешением, чтобы иметь возможность масштабировать изображение. Также горение характеризуется высокой скоростью протекания процессов, порядка нескольких миллисекунд. Скорость движения газообразных продуктов сгорания от поверхности горения зависит от вида топлива и давления и составляет от 0.6 до 1.2 м/с. Поэтому, чтобы иметь чёткую картину структуры пламени, нужна камера со скоростью съемки до 1500 кадров/сек и временем экспозиции ~ 0.05 мс.

В процессе измерения необходимо учесть, что пламя является оптически плотной средой, и мы видим только край пламени, где возникают краевые эффекты. Пространственная разрешающая способность цветового метода невелика и имеет обычно порядок одного миллиметра. Возникает проблема достоверности полученных результатов. Для решения этой проблемы есть несколько подходов:

1) Можно взять образцы топлива очень тонкие, например 1 мм. В этом случае будет видна вся структура пламени. Но насколько горение таких образцов топлив отвечает реальным процессам горения, т.к. очень сильно будут сказываться краевые эффекты

2) Можно увеличить оптическую толщину пламени путём снижения давления и добавление в топливо веществ, которые уменьшают образование сажи и дыма в процессе горения.

2.2.1.5 Выбор фотоаппарата

Для проведения измерения могут быть использованы цифровые фото и видеокамеры. Для данного эксперимента, на мой взгляд, может быть использован цифровой фотоаппарат Canon G9.

Но оптимально было бы использовать видеокамеру специально предназначенную для скоростной видео съемки, например, камеру скоростной видеосъемки «ВидеоСпринт» .

2.2.1.6 Выбор камеры скоростной видеосъемки

Камера скоростной съемки «ВидеоСпринт» (предыдущее название — VS-FAST) предназначена для регистрации быстропротекающих процессов с частотой от 500 до 50 000 кадров/сек (и больше). Камера может использоваться в различных областях, в том числе и для съемки температурного поля пламени.

Технические характеристики:

— монохромное или цветное исполнение камеры;

— время записи — до 8.04 с записи на максимальной частоте;

— экспозиция — от 2 мкс до 33 мс;

— размер светочувствительной области — 15.3*12.3мм, диагональ 19.67мм;

— размер пикселя — 12*12мкм;

— разрядность АЦП — 10 бит;

— разрядность видеофайлов, записываемых стандартным ПО — 8 бит;

— возможно оснащение камеры электронно-оптическим модулем (только в монохромном исполнении), для реализации экспозиций от 10 нс до 10 мкс;

Доступные схемы съёмки и синхронизации:

— продолжительность видеозаписи — непрерывная или ограниченная по времени (количеству кадров);

— событие начала съемки: непрерывный ввод, программное (с клавиатуры), аппаратное (импульс внешней синхронизации);

— событие остановки съемки: программное (с клавиатуры), аппаратное (импульс внешней синхронизации), по окончанию заданного времени записи.

Крепление объектива:

— C-Mount;

— М42×1;

— переходник на байонет для объективов Nikon.

Доступно исполнение камеры и кабеля для расширенного температурного диапазона — от -30 до +40 градусов С.

Спектральные характеристики сенсора:

Работа системы:

Камера «ВидеоСпринт» имеет в своем составе оперативную память, в которую производится запись последовательности кадров. Подключение к компьютеру производится через контроллер (интерфейс PCI), поставляемый с камерой.

Программное обеспечение:

В комплекс поставки входит CD-диск с:

— пользовательским ПО для работы с камерой (управление настройками камеры, съемка видеосюжетов, их просмотр и сохранение на жесткий диск в любом из «компьютерных» видеоформатов);

— набором ПО для разработчиков (SDK) под ОС Windows и DOS;

Система снабжается драйверами под Windows и SDK под Windows и DOS, которые позволяет пользователю разрабатывать собственное прикладное ПО.

Оптика для камеры:

Практически каждый из случаев применения «ВидеоСпринт» — это отдельные задача и объекты съемки, под которые нет универсального решения с точки зрения оптики. Именно поэтому, в базовый комплект поставки объективы не включаются.

2.2.1.7 Расчет ожидаемой погрешности

Инструментальная погрешность

Измерительные приборы стенда обладают некоторым уровнем инструментальной погрешности. Эту погрешность невозможно устранить, можно только уменьшить ее уровень. Появление инструментальной погрешности обусловлено тем, что характеристики устройств, входящих в измерительную систему являются случайными величинами. Как следствие этого и измеренная температура является случайной величиной. Основной вклад в инструментальную погрешность измерительного стенда вносят ФЭУ (фотоэлектронный умножитель, в моем случае это ПЗС матрица фотоаппарата) и АЦП.

Погрешности вносимые АЦП

АЦП вносит следующие виды погрешностей:

1. Погрешность смещения — отклонение фактической передаточной функции АЦП от прямолинейной передаточной функции идеального АЦП при нулевом входном напряжении.

2. Передаточная погрешность определяется как отклонение в средней точке последнего интервала дискретизации от идеальной прямой линии после компенсации погрешности смещения. После компенсации всех погрешностей смещения нулевому входному напряжению всегда соответствует нулевое выходное значение. Однако под влиянием передаточных погрешностей изменяется наклон фактической передаточной функции относительно идеального наклона. Данная передаточная погрешность может быть измерена и компенсирована путем масштабирования выходных значений.

3. Нелинейность. После компенсации погрешности смещения и передаточной погрешности фактическая передаточная функция должна совпадать с передаточной функцией совершенного АЦП. Однако ввиду нелинейности АЦП фактическая кривая может слегка отклоняться от совершенной кривой, даже если обе кривые совпадают в районе нуля и в точке измерения передаточной погрешности.

Абсолютная погрешность — общая некомпенсированная погрешность, которая включает погрешность квантования, погрешность смещения, погрешность коэффициента передачи и нелинейность.

Основные источники погрешности

1. Ошибки, возникающие на мультиплексоре. На входах мультиплексора могут быть установлены операционные усилители, которые вносят ошибки, например смещение напряжения, токовое смещение и нелинейность. Кроме того, обычно встречаются два основных источника ошибок мультиплексора — взаимное влияние каналов, то есть происходит утечка тока из «открытого» канала в «закрытые», и снижение уровня сигнала из-за делителей, образованных конечным сопротивлением полупроводниковых переключателей и входным сопротивлением последующих цепей.

2. Система выборки и хранения. Эта система, основанная на операционном усилителе и емкостных элементах, предназначена для выборки и хранения напряжения аналогового сигнала. Следовательно, возникают погрешности нелинейности, усиления, влияния источника питания, смещения напряжения, зарядовой инжекции и токового смещения.

3. Преобразователь. Счетчик, компаратор и связывающие цепи вносят погрешности нелинейности, квантования (вызвана неопределенностью последнего значащего бита (ПЗБ), обычно она составляет ±½ ПЗБ) и влияния источника питания.

4. Температура. Все аналоговые цепи АЦП вносят температурные погрешности, поэтому в технических характеристиках указывается полная погрешность АЦП за счет температуры элементов.

Погрешность матрицы (ФЭУ) фото аппарата

Если на ФЭУ, полностью защищенный от излучений, подать напряжение питания, то несмотря на отсутствие фотоэмиссии с катода, в анодной цепи ФЭУ будет протекать ток. Этот ток называют темновым. Рассматривая природу темнового тока, можно разделить его на следующие основные составляющие:

1. Термоток с фотокатода, усиленный умножающей системой, а также термотоки с динодов, усиливаемые с тем меньшим коэффициентом, чем больше номер динода;

2. Ток утечки между выводом анода и другими электродами ФЭУ;

3. Ток автоэлектронной эмиссии с динодов и других электродов прибора;

4. Ток, возникающий в результате ионной и оптической обратной связи, развивающийся в ФЭУ из-за его некачественного конструктивного выполнения.

Полная дисперсия анодного тока, определяющая собственный шум ФЭУ, равна сумме дисперсий двух независимых составляющих: усиленных флуктуаций эмиссионного тока фотокатода и дисперсии анодного тока, связанной с флуктуациями вторичной эмиссии.

Расчет инструментальной погрешности при определении цветовой температуры

Необходимые характеристики ФЭУ и АЦП можно взять из паспортных данных устройств: , — коэффициенты вариаций.

Фиксируемым является сигнал в цифровой форме:

или ,

ракетный смесевое твердое топливо горение

где — коэффициент преобразования лучистой энергии в цифровую форму.

Чтобы найти параметры разброса коэффициента воспользуемся соотношением:. Получим: .

Рассчитаем дисперсию цветовой температуры, воспользовавшись методом линеаризации:

Температура определяется следующим отношением:

;

где:

и — эффективные длины волн.

.

Обозначим .

Т.к., окончательно получим:

После подстановки числовых значений, для красного-зелёного диапазона получаем:

Пусть математическое ожидание температуры равно M{T}=2500 К.

После обратной подстановки получим значение дисперсии цветовой температуры для красного-зелёного диапазона:

Находим среднеквадратическое отклонение:

Если принять нормальный закон распределения измеряемой температуры и значение доверительной вероятности равной 0,997, то:

2.2.2 Анализ и выбор метода измерения скорости стационарного горения

Ракетные двигатели на твердом топливе широко используются в составе современных образцов ракетно-космической техники. Такие двигатели относятся к сложным техническим системам и характеризуются не только многообразием конструктивных решений и используемых материалов, но и разнообразием сложных внутренних процессов. Одним из важнейших процессов является процесс горения топлива в камере сгорания. т.к. он определяет газоприход в двигателе и, следовательно, его расход и развиваемую тягу. Газоприход зависит от величины скорости горения топлива. В свою очередь, скорость горения даже для конкретного топлива может существенно отличаться в зависимости от условий горения и воздействующих внешних факторов. В настоящее время отсутствуют адекватные математические модели, позволяющие точно рассчитать величину скорости горения в конкретном случае. Поэтому, экспериментальное определение скорости горения твердого топлива является актуальной задачей, особенно при разработке новых топливных составов.

2.2.2.1 Метод перегорающих проволочек

Наиболее распространенным методом измерения средней скорости горения твердого топлива является метод перегорающих проволочек. Внутрь образца топлива параллельно друг другу монтируются две медные проволочки (в случае смесевого ТРТ их располагают под бронировкой) на расстоянии h друг от друга (рис. 1, а) диаметром 0,05 мм. Проволочки подключаются к электрической схеме, состоящей из источника питания (батарейки 1,5 — 3В), двух сопротивлений и двух гальванометров, шлейфного осциллографа К — 115. При этом ток от источника питания не проходит через гальванометры, поскольку проволочки закорачивают выводы гальванометра накоротко и все напряжение источника питания падает на сопротивлениях. При горении образца, когда проволочка попадает в зону высокой температуры, она расплавляется и ток идет через гальванометр, что приводит к отклонению показателя на осциллографе (рис. 1, б).

а)

б)

Рис.1

а) Пример расположение реперов в образце ТРТ, и схема их подключения

б) Показатели осциллографа при перегорании реперов

Период между двумя вертикальными линиями на осциллограмме соответствует времени движения фронта горения между проволочками. В осциллограф встроен отметчик времени, дающий калибровочные вертикальные линии через определенные значения, что позволяет определить искомое время Т.

u = h / Т

где h — расстояние между проволочками

Т — время перегорания двух проволочек.

Достоинства метода:

— простота технической реализации;

— простота измерительного оборудования;

— возможность измерения переменной скорости.

Недостатки метода:

— горение топлива происходит не в атмосфере продуктов сгорания топлива, а в среде инертного холодного газа. Это может сказаться на скорости горения пограничных слоев топлива из-за их охлаждения внешней средой;

— заделка реперов в образец может оказать влияние на процесс горения топлива в зоне заделки;

— трудность обеспечения параллельности заделки реперов относительно друг друга дает ошибку в определении величины базы между реперами. По этой же причине невозможно с высокой точностью определить время между перегоранием соседних реперов;

— отмеченные факторы существенно снижают точность определения скорости;

— измерение скорости в эксперименте возможно только при одном давлении. Для получения закона скорости требуется проведение серии экспериментов.

2.2.2.2 Метод термопарных реперов

Этот метод получил развитие от предыдущего, т. е. он является модернизацией метода перегорающих проволочек и отличается тем, что вместо перегорающих проволочек используются термопары. Термопары изготавливаются из проводов медь — константант диаметром 0,05 мм. Эти сплавы выбраны из соображения дешевизны и достаточно высокой термоЭДС, достигающей 40 — 60 мВ при 1000С. Термопары вклеиваются в топливо, как показано на рис. 2, а (под углом), если в исследовании принимает участие баллиститное топливо. В случае же со смесевым ТРТ реперы вкладываются под бронировку.

Свободные концы термопар подключаются непосредственно к гальванометрам.

Когда зона горения подходит к спаю первой термопары, температура спая, находящегося в топливе начинает возрастать. Возникающая термоЭДС создает в цепи гальванометра ток, в результате которого показатель на осциллограмме начинает перемещаться пропорционально температуре (рис. 2, б).

Чувствительность гальванометра выбирается таким образом, чтобы на осциллограмме была записана область температур не выше 300 — 500С, так как профиль температуры в топливе гораздо стабильнее, чем в газовой фазе. Время между двумя точками определяется на осциллограмме по положению кривой при одной и той же температуре. Дальнейший расчет такой же, как для случая перегорающих проволочек.

а)

б)

Рис. 2

а) Пример расположение термопар в образце ТРТ, и схема их подключения

б) Показатели осциллографа при измерении скорости горения термопарами

Достоинства метода:

— возможность одновременного определения, со скоростью горения, температуры образца, причем Т (х);

— отсутствие погрешности, связанной со временем перегорания проволочек (отсутствие инерционности).

Недостатки метода:

— сложность стенда;

— высокая стоимость стенда.

2.2.2.3 Теневой оптический метод

В методе фиксируется на фотоплёнке в режиме покадровой съёмки или с помощью цифровой фотокамеры граница яркого пламени, т. е. поверхность горения. При фотографировании необходимо исключить задымленность пространства между образцами и окнами. Это обеспечивается продувкой газом наддува внутренних поверхностей окон, что позволяет осуществить только, располагая штуцеры подачи инертного газа в нижней части корпуса в районе окон. Скорость горения, как и в большинстве других методов, определяется по толщине сгоревшего свода за фиксируемый промежуток времени. Что касается времени, то оно точно определяется с помощью специальных счетчиков кадров, имеющихся на кинокамерах. Для толщины сгоревшего свода это не удается сделать без принятия специальных мер. При абсолютно жестком закреплении образца топлива, в кадре кинокамеры происходит смещение образца топлива. В определении стационарной скорости погрешность будет незначительной. Но при измерении нестационарной скорости ошибка окажется существенной. В этом случае для повышения точности применяют специальные репера отсчета. Репер неподвижно закрепляется на державке образца. Поэтому можно очень точно фиксировать на фотокадрах положение поверхности горения относительно репера.

На каждом из кадров на фоне сплошной засветки поля кадра, определяемой свечением пламени и подсветкой через окно источником мощного излучения, отчетливо видны границы образца и репера, сквозь которые свет источника не проходит. Отличие в кадрах заключается в положении поверхности горения. В момент времени t₁ она находится на расстоянии h₁ от поверхности репера, а в момент времени t₂ соответственно на расстоянии h₂. Разность этих величин и является толщиной сгоревшего свода за рассматриваемый промежуток времени.

Достоинства метода:

-.отсутствие влияния на процесс горения топлива;

— возможность определения как стационарных, так и нестационарных скоростей;

— возможность совмещения измерения скорости горения с определением других характеристик процесса горения (например: измерение температуры по высоте пламени с помощью оптических методов).

Недостатки метода:

— сложность обеспечения прозрачности внутреннего объёма и окон;

— сложность системы регистрации и последующей обработки результатов;

2.2.2.4 Ультразвуковой метод

Метод основан на зондировании образца топлива или топливного заряда звуковыми импульсами высокой частоты. Звуковые частоты более 20 кГц, называемые ультразвуковыми, обладают свойствами, которые позволяют использовать их для диагностирования материалов. Если направить пучок с интенсивностью J_o вдоль образца топлива по направлению к поверхности его горения, то он после отражения от границы топливо — газ, т. е. отражения от поверхности горения, вернется в виде отраженного пучка с меньшей интенсивностью J₂.

Время между подачей зондирующего импульса и возвращением отраженного импульса назовем временем смещения t_см. Это время будет зависеть от толщины материала, т. е. от высоты образца, и от скорости распространения волны в данном топливе. Зная скорость распространения колебаний и фиксируя время смещения, можно определить высоту образца h = t_смc / 2.

Топливо горит при повышенном давлении, поэтому внутренний объем камеры необходимо герметизировать. Для обеспечения прочности стенки камеры сгорания изготавливаются из прочного материала, стали. Источник ультразвуковых импульсов располагается с внешней стороны камеры. При такой схеме ультразвуковой поток будет проходить сначала через стальную стенку, а уже затем через топливный образец. Источником ультразвуковой волны является ультразвуковой преобразователь. Возможно использование магнитострикционных и пьезоэлектрических ПР. Питание ПР осуществляется от высокочастотного генератора.

Достоинства метода:

— отсутствие вмешательства в процесс горения;

— измерение стационарных и нестационарных скоростей;

— возможность применения в условиях модельных установок для топливных образцов и в двигателях с торцевыми зарядами.

Недостатки метода:

— достаточная сложность измерительного оборудования;

— необходимость предварительного экспериментального исследования с целью определения скоростей распространения звуковой волны в топливе и буферном материале;

— зависимость скорости распространения волны от температуры.

2.2.2.5 Выбор метода измерения скорости горения образца топлива

Скорость горения измеряется с помощью метода перегорающих реперов (проволочек).

Для реализации метода в образец заделывается тонкие (толщиной 0,1 — 0,2 мм) медные 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 в моем случае компьютере. В момент перегорания репера нарушается целостность цепи и исчезает регистрируемый электрический сигнал. Если одновременно фиксировать время от компьютера или например, от кварцевого генератора, то нетрудно определить время между моментами перегорания реперов Дt. Знание точного расстояния между реперами h, которое измеряется в процессе изготовления образца, дает возможность расчета скорости горения:

U_т = h/Дt

Следует иметь в виду, что значение скорости является средней в интервале времени Дt. Степень осреднения зависит от величины базы h, Уменьшая базу и используя несколько реперов, можно определить изменение скорости во времени, то есть измерить нестационарную скорость горения. Обычно используется следующая технология заделки реперов. Образец разрезается вдоль на две половинки. На одну из них укладываются реперы и фиксируются расстояния между ними. Затем обе половинки склеиваются для смесевых топлив каучуком или смолой. Для баллиститных топлив склеиваемые поверхности размягчаются растворителем (ацетоном), прижимаются друг к другу с некоторым усилием и выдерживаются определенное время до испарения растворителя.

2.2.3 Анализ и выбор метода измерения давления

Индуктивные и трансформаторные преобразователи

Метод основан на изменении коэффициента самоиндукции или взаимоиндукции в электромагнитной системе под воздействием измеряемой неэлектрической величины. Естественной входной величиной является линейное или угловое перемещение, а выходной — индуктивность или напряжение переменного тока.

Простейшие электромагнитные преобразователи малых перемещений состоят из неподвижного Р — образного магнитопровода с обмоткой и подвижной части магнитопровода — якоря.

Изменение величины зазора или площади приводит к изменению индуктивности. Такие преобразователи называют индуктивными.

Если кроме одной обмотки на магнитопроводе расположить вторую обмотку, то меняться будет коэффициент взаимоиндукции между ними. Преобразователи этого типа называются трансформаторные.

C конструктивной точки зрения индуктивные и трансформаторные преобразователи можно разделить на преобразователи малых (от 0,01 до 10 мм) или больших (до 100 мм) линейных или угловых (до 10? или до 45…60?) перемещений, преобразователи с замкнутым или разомкнутым магнитопроводом и преобразователи с подвижным элементом магнитопровода или подвижной катушкой.