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                          作者:鄭州達冠節能環保設備有限公司 ?????來源:http://www.irui.tw/news/347.html?????發布時間:2017-06-17 15:55
                          導讀:鄭州達冠環保生物質燃燒機手冊 1 T形生物質燃燒機的評價和局限性 火箭燃燒室中有害的振蕩問題由來巳久,無疑將常會出現。由于燃燒室是一個損失比較低的空腔,這個腔可供給很大

                          鄭州達冠環保生物質燃燒機手冊
                              1 T形生物質燃燒機的評價和局限性
                              火箭燃燒室中有害的振蕩問題由來巳久,無疑將常會出現。由于燃燒室是一個損失比較低的空腔,這個腔可供給很大的能量,因而很容易激發和保持常常具有大振幅的聲波。只需要燃燒過程釋放出來能量的很小一部分,即可激發這個不可能接受的強振動。
                              對這類波的穩定性起主要作用的因素有:幾何形狀,粘性損失,排氣噴管,燃燒室氣體中微粒阻尼以及振蕩與燃燒過程之間的相互影響。最后一項是主要激發力,它的測量是本報告的主題。
                              燃燒室中波的穩定性近似分析,典型地可導出一個小擾動增長率公式。這個增長率等于上述相應各項作用的總合,有些項可以十分精確的計算,雖然對燃燒分析是有益的,但精確性是可疑的。在任何情況下,目前要對給定的推進劑精確地計算它是如何激發振蕩的,實際上是不可能的。因此,測定推進劑特性具有現實性。
                          為了測量燃燒和氣流振蕩間的相互影響,僅有幾種可能用的裝置和方怯。其中,生物質燃燒機在目前是最好的。本報告的大部分內容是提供具體的T形燃燒器的試驗技術,它的變形也提到了,其他裝置沒有介紹。
                              管型裝藥的”侈燃燒器在1958年首次出現(參考文獻1)。本報告的主題是推薦裝藥放:在兩端的T形燃燒器,它的工作情況在參考文獻2中(一端燃燒結構的說明,最早出現在分婁文獻(海軍武器中心)中。而單端結構是在1960年討論(參考文獻3)的。一一原文注)首次進行了討論。T形燃燒器所以具有吸引力,主要是由于簡單,使用容易,而且提供數據便莉,,迅速。正如本報告下面敘述的那樣,雖需過細地對待那些關鍵性步驟,但有可能將T形燃燒器的測定簡化為一個常規問題。
                              最簡單形式的T形生物質燃燒機是扁平的推進劑試件裝在兩端,因此垂直子管軸的燃燒面受到限制。它只能小于或等于管的橫截面。這種形式的生物質燃燒機有若干局限性。對于弱不穩定推進劑除非(可能的話)施加脈沖,否則給不出數據。實際上更重要的局限性是對于含少量金屠(通常是含鋁)的推進劑欲測得數據是困難的。對于含金屬多的推進劑,除非采用專門的裝?置●否則欲測得數據是不可能的。這是由于推進劑中的全屬顆粒或金屬氧化物顆粒對聲波盼高度阻尼所致。因此,有必要強調指出,對于多數常用推進荊,最簡單的T形燃燒器是不可能激發的(也就是不振蕩),監且由于這個道理,在后面要討論有關大發動機的低頻范圍的數據難以得到。
                              今后,隨著試驗裝置的發展和它的變型,這些局限性可以緩和。目前,可以用杯形裝藥(也就是一端的燃燒面大于管的橫截面積)克服部分問題。這樣一來,激發振蕩的力就增船了,采用這種方法,在T形燃燒器中激發弱不穩定推進劑和含鋁推進劑振蕩的例子很多。然而,如果按照第三章討論的公認辦法去處理數據,至少在絕對意義上或根據測量,數據的可靠程度目前還不清楚。
                              除剮剛提到的一些局限性以外,使用中還有某些困難。最常見的是數據粗糙和測量的重復性差。例如,對于不同的觀測者,有時不可能對同一試驗記錄作出唯一的明確譯釋。甚至對于重復性很好的數據譯釋的結果也不完全明確.
                              上述評論是企圖強調,現有的試驗裝置都有其局限性,而且必須注意到燃燒器的使用條件和數據的譯釋。盡管如此,從發展規劃這一實用目的出發,T形燃燒器是很有用的。即使測量結果在絕對意上是可疑的,但是它能很快地和容易地給出推進劑的相對穩定特性值。最明顯的是能定性的給出茌T形生物質燃燒機中激發振蕩是容易還是難,也就是在燃燒期獲得振藶振幅的增長率和振幅峰值。但是,必須謹慎使用這些資料。例如,很可能在T形生物質燃燒機中證實推進劑燃燒沒有振蕩,但在全尺寸發動機中將有振蕩,已經知道有很多這樣的例子。
                              不管是以全尺寸發動機的研究為目的,還是為計算全尺寸發動機的穩定界限,更多地詳細了解T形生物質燃燒機還是需要的。為精確確定推進劑特性,要有好的定量資料。在這方面尚有很多改進的余地。因此,本報告的目的;第一,把大約十二個不同實驗室采用T形生物質燃燒機的經驗匯集成冊。詳細制定最成功的試驗方法。第二,推薦試驗方法和試驗條件的標準化,這就為不同試驗室測量結果的比較提供一個共同基礎。第三,重述幾個典型測試記錄,觀察在記錄上顯示構實驗故障情況。第四,如果承認公認的譯釋,通過對生物質燃燒機的簡要分析就可澄清澍量中的問題。這個分析也可作為討論T形生物質燃燒機某些局限性的規范。所有的計算都放在附錄中,T形生物質燃燒機的所有結構和使用資料是本報告的主體。
                              1.2不穩定燃燒和聲導納系斂
                              毫無疑問,現已確立的固體推進羽火箭發動機燃燒室中振蕩的激發和持續的機理存在于燃燒表面上薄薄的燃燒區。振蕩或任何形式的瞬態偏移與燃燒過程的耦合起因于壓力或速度的波動,或者兩者兼而有之。然而本報告敘述的試驗裝置和測量技術,僅僅限于壓力耦合的測量。至今,企圖測量速度耦合尚無確切的結果。
                              燃燒室中的機械能,即位能和動能都可與任何擾動相聯系。根據能量守恒,推進辯趨燃,燒受到作功而激發擾動。最簡單的情況是燃速的變化對壓力的微小變化的響應結果。因此j從燃燒區流到燃燒室的燃燒氣體的速度就有變化。單位面積的瞬時作功功率是由波動引起的,這個功率等于壓力以及與壓力同相位的速度分量的乘積,這個功率與所說的由活塞或揚聲器在阻抗管中激發振波所作的功率相似。作為第一次近似,假定速度的變化簡單地比例子壓力的變化(6ucc6P)是合理的。按照標準化形式,對于正弦曲線波的情況,其比例系數叫盧導納系數Ab。
                              為充分研究燃燒室中的波,必須考慮到全部聲能的增益和損失。聲導納函數表示的作用(一般是增益)是激發振蕩的主要機理。雖然它僅包括邊界上的P-u作功速率,但在一定意義上與經典聲學中何物質表面響應的表示法非常相似。在燃燒室中,其他的損失和增益能源包括;波動與平均氣流的相互作用,噴管,氣體中固體微粒引起的阻尼,氣體和推進劑裝藥粘性應力引起的阻力。其中平均氣流的影響可以正規地表示為邊界效應,所以在穩定準則中比得上聲導納的地位。
                              一
                              在附錄B和C中,給出了有關燃燒室中波的線性穩定準則,實際上是Ah‘V’+Mb的其他一些細節,其中M。是穩態氣流離開燃燒表面的馬赫數。此外正是這個組合,可以從T形生物質燃燒機的測量中提取。由于在此討論這一問題會引起一些干擾,于是相關的討論就列于附錄C中。.
                              另外,根據這里確切定義的形式,聲導納A。在文獻中不是總出現的。其他幾個與Ab直按有聯系的、常常用來討論燃燒穩定性和T形生物質燃燒機測量的量引證于附錄C。另一種形式的假定是燃燒區邊界上的波動過程是等熵的。這個假定從來就不真實,在一定條件下誤差可能很大。這個問題在附錄C中將進一步討論。就現實使用的T形生物質燃燒爐來說,如果的確遵循第三章提供的程序,這個誤差是次要的。
                            雖然提供了計算聲導納函數的公式(見附錄D),但計算的結果是有很大局限性的。從實用出發,特別是如果欲確定推進劑組分變化的影響時,必須測定聲導納函數。現在,不僅對于研究工作,而且對于研制工作,用T形生物質燃燒爐測量聲導納函數或聲響應是最好的方法。在理想情況,測量出燃燒室內壓力時間曲線,根據(3.1.1)和(3.1.2)式就可直接給出聲導納函數。
                              但是會引起結果的再現問題,不同實驗室獲得的結果不一致問題和實驗方法上的爭論問題。在附錄A中提供的系列試驗報告,部分地強調了這些問題,而不是解決這些問題。為了闡明選擇什么樣的現有程序是最有前途的程序,縱使在某種程度上認為本報告確定的標準是暫時的標準,這也是很必要的。三個最主要的疑難問題將在§1.4中加以說明,而在報告的后邊將更充分地討論。
                              1.3 T形生物質燃燒爐的一般描述
                              T形生物質燃燒爐基本土是一個簡單裝置,它通常由直徑大約為112英寸的鋼管制成,中央有一個排氣孔,圓盤形的推進劑試件安裝在兩端,這種結構使得聲能損失率相當地小。頻率最低的縱向聲振蕩型是自激發生的,使推進劑呈現出很大的聲導納函數實部。振蕩頻率可由燃燒室長度L精確地確定,其公式為
                              f=a。/2L(赫茲)式中a。是沿燃燒室長度L(實質上是用可測量的f和L定義a。)的平均聲速。因此,為了確定作為頻率函數的聲導納函數的管的長度必須改變。頻率變化范圍建議在500-5000赫茲之內。P64-    除了管長之外(也就是振蕩頻率),還有兩個試驗變量:平均壓力和推進劑試件的初始溫度。選用的標準量是300磅/時(21公斤/厘米2)和(70±10)。F即(21±1.2)℃。建議充填氮氣預壓T形生物質燃燒爐和相配的貯箱,用來校準壓力。’.
                              絕對需要測量的是壓力時間曲線,它是由安裝在每一端推進劑試件后面的傳感器測得的。在§2中給出了所建議的儀器的細節,而在§4和附錄F中將對記錄進行譯釋。
                              1.4疑難問題
                              三個主要爭論點是點火方法,試驗方法的類型(也就增長/衰減法與可變燃面法的比較)和試驗記錄的詳細譯釋。在§3.2中討論了幾種點火方法。要充分注意到這一點,即結果的重復看來主要取決于兩個推進劑試件迅速,均勻和同時點燃。這是十分明顯的,因為各個試驗的機械特性和物理特性能夠十分精確的控制。但是一旦點火,就什么事也不能再做了,而且由于點火瞬間出現的差別,使得壓力時間曲線間的許多細微變化看來變大了。
                              為了用T形生物質燃燒爐測取聲導納響應函數,采用了兩種主要技術,一是在一次試驗中測量壓力振蕩的增長率和衰減率,根據頻率范圍和選定的其他參數值給出聲導納函數A“的實部。另一種是在幾個燃燒表面面積不同的試驗中僅測量增長率。在附錄E申給出了兩者的論證。但委員會沒有在這兩種方法中做出選擇。即使很多數據是用增長/衰減法獲得的。用兩種方
                          法獲得數據是需要的,目前,在相同的實驗裝置中,用兩種方法獲得的聲導納函數的結果很不一致。這就表明,兩種方法都包含固有的誤差,但是如果T形生物質燃燒爐用于研制工作,固有誤差是不重要的。
                              作為一個實用問題,能夠成功地使用每一端試件的燃燒喪面面積比橫截面大的生物質燃燒爐是特別重要的(也就是用杯形推進劑試件)。從實用上看,雖然這種藥型結構試驗的測量方法實際上不是用增長/衰減法就是用可變燃面法,但在增長和衰減期內生物質燃燒爐中的流動情況截然不同,看來可變燃面法更有前途。另一方面,當燃燒面變化時流動情況也要改變,正像附錄E中所討論的那樣,這種方法取得數據的可信程度也是可疑的。很明顯,如果可變燃面法在可信程度這一點上得到改進,不論對實用還是對研究,T形生物質燃燒爐的用途必將大大地增加。
                              怎樣才能更好的處理原始數據的問題是更為細致的一項工作。其困難在于不能記錄出單獨的增長和衰減指數。一般來說,一個給定的試驗其頻率始終是變化的。這是因為燃燒室內實際溫度是變化的;而且從細節看記錄的重復性是不容易得到的。大部分問題都出自點火過程以及增長相衰減期間的沖涮條件所引起的瞬交特性。另外非線性特性可能影響所得結果,在這方面還不完全清楚。在§4和附錄F中這些問題討論的更為詳細,韭提供了現行的方法。
                          2.1幾何形狀和結構
                          2、生物質燃燒爐設計和測試
                              建議T形生物質燃燒爐用鋼管做成,其內徑為1.5時,以及厚度至少為0.25時。正如圖2.1所表示的那樣,燃燒產物要通過中央排氣孔排出。可用一個短的剛性管將燃燒器和減壓箱或卸匝箱連起來。流動不必處處都是聲速的,減壓箱必須大,大到足以使平均壓力保持一個合理-bO—一thJ常數,就0.25時厚的推進劑試件和5嘆3減壓箱而言,平均壓力將從300磅/時t.oK大體上升io-is磅/時2.。K,這認為是合適的.聲速噴管的主要缺點是。在需要采用小噴管時難以得到所要求的壓力,以及在衰減期平均壓力要發生變化。T形燃燒器三個主要組成部分,即兩個管,兩個端蓋和一個中央聯接件。或者采用附加管及管間的聯結件或者采用較長管做成更長的r形燃燒器。但是,由于接頭多了會引起一般地不能重復的未知損失,因此,最方便的裝置是取消中央接件藍使用一個單管,為適應排氣孔的要求,單管的壁可厚些,:如圖2.lb所示。就國際化學火箭推進劑組提出的試驗數據報告而論,建議采用的長度范圍大約為4 -44時及其所包含的頻率范圍為500-5000赫茲,可在箱中放置能起熱沉(吸熱)(Nwc)作用的一大堆鏈子或在箱前的排氣管道上聯結一個冷卻裝置(羅姆和哈斯)以降低試驗中卸
                              圖2.1 T形燃燒器結構簡圖    壓箱的壓力上升。如果采用氧化氣體(比如空氣)對系統加壓,也就有可能采用較小的卸壓箱藍有助于避免再點火的任何困難。還必須注意,繼燃燒完之后,從卸壓箱到燃燒器定有氣體回流。巳采用止回活門或其它一些方法解浹這一問題,但委員會未予推薦。這構成了試驗的衰減段所得到數據中含有不精確性和誤差之源一
                              如圖表示的通過排氣孔引入點火導線已證明是滿意的,通過排氣管上安裝的絕緣導管穿入導線,有些使用者通過靠近推進劑的側壁處穿入導線,因而避免了導線留在管中引起損失包含更多不精確性的可能性.但是,試驗圖象表明,這種掛慮是不必要的,至少小于12時的燃燒器是這樣。在較長的燃燒器中,由于氣體流向排氣孔時冷卻相當大,雖成段的導線有可能留在燃燒器中,但未觀測到。在任何情況下,巳證實,采用絕緣導管諸如電子手表密封有限公司(伯班克、加里福尼亞)制造的承受高壓的電接線柱是滿意的。
                              如果燃燒器很長,即頻率在大約1000赫茲以下的情況,燃燒室中的狀態在增長期是非均勻的,而且在不斷變化。非均勻溫度的修正(見附錄B)就變得很重要而且不大可能精確地適用于增長期的初始段.由于這種原因,巳做出一定努力設計各種延遲振蕩的裝置,使熱氣體能充滿燃燒室。比如,海軍武器中心巳在燃燒器中央安裝了一個蝶形閥,而彈道研究實驗室、聯合技術中心和艾菜格尼彈道實驗室是在推進劑中安放易燃片。這兩種方法看來都具有潛在的實用價值,而且巳做了許多成功的實驗。但是,由于霈做一些附加工作,以弄清諸如蝶形閥對具有平均流和沒有平均流時對波衰減所引起的不精確性,因此這里就不進一步探求這一課題了.
                              2.3溫度和壓力控制
                              要求對推進劑的初溫進行控制.如果將推進劑安裝在緒如端蓋這樣的部件中,必要時還可放在保溫箱中,即可有效地得到精確的控制。只要十分迅速地裝配燃燒器監進行試驗,推進劑溫度就不會有很大變化。目前尚未表明小的溫度變化的重要性,但大的溫度變化(40對50度或更大)可使燃燒的推進劑的動力特性產生顯著的變化。在某些情況下,已得到十分顯著的影響,建議標本溫度為70±lOoF。
                              平均壓力的影響很可能更為顯著。可用高壓氮氣使整個系統(T形燃燒器和衡壓器)加壓的方法得到壓力控制。通過衡壓器上的通道引入(氮氣)是方便的。就向國際化學火箭推進劑組提出試驗結果而言,建議標準壓力為300±10磅/時l.oK。
                          3、實驗方法和測量
                              3.1增長、衰減和可變燃面試驗方法
                              由于1.4節中已經指出,所以有關試驗類型,這里就不再介紹了。從壓力記錄中獲得導納函數的兩種方法都含有誤差和假設條件。但就試驗方法和測量的細節而言,這兩種方法是相似的。然而,為從各自的試驗記錄處理中得到導納函數所需要的系列實驗是不同的。
                              當采用增長、衰減方法時,試驗增長期間和燃燒完以后衰減期間的數據都要用,如果這兩期間內的壓力振蕩的振幅隨時間的變化能用指數函數表示的話,那末增長期的振幅變化為exp (agt),衰減期的振幅變化為exp(- aat),下面3.4節中表示出一些典型的記錄。進而,如果我們再作一重要的假設,即:左增長期和衰減期的機理和聲能損失量是相同的。那么導納函數的實部可以附錄B中推導出的公式(B17)計算:
                              其中Mb是離開燃燒表面的穩態流馬赫數,L是燃燒器長度.S。是橫截面積,S。是燃燒器的一端試件的燃燒表面積,實測聲速為a。=2 fL,其中f是實測頻率,a。是推進劑燃氣的理想聲速(絕熱聲速),用a。/a。的比值近似地考慮溫度的不均勻性.在低頻(長燃燒器)時,由于熱損失大,a。<a。,所以該修正值是相當大的。
                              由于增長、衰減方法中a.值與一給定的a.一起出現在方程(3.1.1)中,所以,帶來一個最大的難題就是確定a。的修正值問題。如果采用上述假定的話,那末就可采用同一試驗中的a。和a。值。是因為條件不同,主要是在增長和衰減期的溫度、流場、頻率是不同的,所以誤差是不可避免的。如果我們從許多試驗中積累數據,那未有可能推斷出對具體試驗更接近真實的a。值,盡管它監不是從壓力曲線上實際測得的數值。實際上,將這種方法中重要的假設條件放寬了。但是由于引入了試驗間的變化,所以在數據處理時更應注意。有關這點的進一步說明參考附錄E。
                              其次,從方程(1.2.4)呵見,假設在火焰中的波動也是絕熱的,那末A。+M。=rMb (m'lm)(P 7/P)。因此,質量流量對壓力變化的響應可直接從壓力曲線上得到。但是,在實際情況下,狀態是絕熱的這一假設不總是一個很好的近似(見附錄C)。
                              可變燃面方法是將方程(3.1.1)改寫為以下形式作基礎的。
                              此方程可用于S。>S。和S。<S。兩種情況,所有可控制的方面是相同的,只是改變燃燒面積S。,進行系列試驗。根據(3.1.2),如果損失(即a.)與面積比無關,那么所測得的以無因次形式表示的增長常數(a;L/2a。)與這些試驗的面積比的函數關系必是一直線,其斜率是(Abn’+Mh),截距(對于a。=0)給出無因次衰減常數。這方法中一個重要假設是機理和聲能損失量對所有面積比S。/S。值來說是相同的。一些可供利用的資料(海軍武器中心,加里福尼亞工學院)指出,作出的圖不是直線,在這種情況下,可用方程(3.1.2)外推到S。/S。=0,將給出S。一o的0【。值。
                              如果0c。對Sb/S。的關系不是一直線,那么上述所提及的假設是與事實相違背的。目前,還投有象增長、衰減方法中的數據處理方法那樣力求在一定程度上校正這種方法的不足。
                              大多數現有的數據是用增長、衰減方法取得的,通常用推進劑圓盤形試件填滿橫截面,即Sb/S。=1。因此,目前還不可能對兩種方法作完全令人滿意的比較,有些數據在附錄A中給出,對兩種方法的更詳細的評淪在附錄E中給出。
                              3.4點火方法
                              不必過分強調良好點火的重要性,主要是要求獲得兩塊試件均勻而同時的點火,不良點火在多數情況下會對試驗記錄的重復性產生極大的影響。在所有情況下采用電點火,而現行的點火方法分為兩類。-是采用推進劑粉末,以加速點火時火焰在推進劑表面的傳播,另一是采用煙火劑糊。
                              點火器可以用一不長(3/8時-1時)的0.010鎂或LOR熱熔金屬絲纏繞或焊接到銅絲上做成,銅絲可用28-32‘的漆包線或紗包線。點火線可以穿過燃燒器或穿過如§2—1中所提過的排氣孔上的絕緣通孔。如果點火線穿過燃燒室,在長燃燒器中,有可能在點火期間點火引線下能全部燒完,剩余部分將引起聲能損失,也許影響很小,但卻影響精確的重復。另
                          一可供選用的方法是(聯合技術有限公司)點火線可以通過裝藥試件,藍接到裝入端蓋的陶瓷管內的電極上,鎳鉻電橋絲可用少量的Duco膠合劑貼在裝藥表面。
                              當采用推進劑粉末時,從試驗裝藥上刮取少量(0.5~1毫升)藥末放在燃燒器兩端緊貼裝藥表面處。監且在裝配以前用手工鋪在裝藥上或者在端蓋裝入時搖勻。使用少量的膠合劑(如Duco)可保證粉末枯附在表面上,但必須指出,當使用裝藥粉末時,爆燃是一個潛在的危險。
                              使用煙火劑瑚時,在鎳鉻電橋絲接上以前,裝藥表面鋪上一薄層煙火劑糊,更好的方法是可制成小藥片(約1-2 gms)粘貼在鎳鉻絲周圍。高速攝影表明應用電脈沖技術可顯示出點火藥片向裝藥表面上噴射熱氣和微粒的現象,因此,達到了非常迅速地均勻點火。利用煙火劑糊的缺點是,在燃燒室內產生了不同燃燒產物,但是從采用高速攝影的一系列試驗(加里福尼亞工學院)表明,它們很快地從燃燒室內流出,看來不是一個問題。

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