Стенд для исследования разложения теплозащитного покрытия

В зависимости от состава  ТЗМ выпускаются в виде листов, гранул, порошков. Способ нанесения  на детали изделия выбирается в зависимости  от исходного состояния полуфабриката.

Для защиты внутренних поверхностей камер сгорания используются материалы двух типов — на основе каучуков и теплостойкие пластмассы.

Для внутренней тепловой защиты переднего днища и корпуса  РДТТ, работающих в условиях высоких  температур, но небольших скоростей движения газов (w < 50 м/с), как правило, применяются фенольно-каучуковые материалы и резины без минеральных наполнителей.

 Для тепловой защиты  элементов камеры сгорания в  условиях высоких скоростей продуктов  сгорания (до 150 м/с) применяются материалы такого же типа, но либо армированные асбестовой тканью, либо с минеральными наполнителями, которые обеспечивают высокую стойкость к эрозионному воздействию.

Для тепловой защиты заднего  днища в зоне перехода к корпусу (для зон двигателя с w до 300 м/с) наибольшее распространение получили слоистые материалы на основе асботкани, стеклотканей и углеродных тканей.

В перечисленных типах  материалов в качестве связующего вещества используются фенольные и эпоксидные смолы, разложение которых происходит при температурах 250 ... 400 °С.  Недостатком указанных слоистых материалов является низкое удлинение при растяжении, обычно не превышающее 1 ... 1,5 %, что приводит к определенным трудностям при применении их в качестве ТЗМ для корпусов. Для повышения эластичности подобных материалов на основе фенольно-формальдегидных смол с любым наполнителем, где в них вместо части фенольной смолы вводят каучук, чаще бутадиенакрилонитрильный. Физические свойства и стойкость к уносу меняются при этом несущественно, но уменьшается прочность на растяжение. К числу резиноподобных материалов, применяемых в зонах с небольшими скоростями газов, относятся композиции, подобные нитрильным, бутадиен-нитрильным, полиуретановым и бутиловым каучукам. Эти же материалы, армированные такими наполнителями, которые обеспечивают высокую стойкость к эрозионному воздействию, используются для тепловой защиты других элементов камеры сгорания. В качестве наполнителей добавляются асбест, двуокись кремния, углерод, графит и другие материалы в виде порошка, волокон, гранул.

В термостойких пластмассах  в качестве связующего вещества в  основном используются кремнийорганические, фенольные, эпоксидные, полиэфирные  смолы. Наибольшее распространение получили фенольные смолы. Армирование пластмасс осуществляется неорганическими наполнителями: кремнеземными, кварцевыми, угольными, графитовыми, асбестовыми, керамическими. Содержание наполнителя обычно 25 ... 35 %.

Для разлагающихся ТЗМ  механизм защиты стенок элементов конструкций  заключается в поглощение поступающего тепла совокупностью физико-химических процессов при полном разложении материала.

 

 

 

 

 

 

 

 

Обобщенный  механизм разложения ТЗП.

Рис2.1

Многостадийный  процесс:

1. Инертный  прогрев  ТЗМ. Заканчивается когда температура  на  поверхности  достигает температуры разложения материала Тр (рис. 2.1).

Тнач ≤  Тпов < Tp

2.   Нестационарное  разложение материала (рис. 2.2).

При разложение материала образуется газообразные продукты разложения и твердый углеродистый пористый слой (коксовый слой).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.2

δкон – конечный прогретый слой

δк – толщина коксового  слоя

Тр ≤ Тпов < T

0 ≤ δк < δк

Uраз – скорость разложения;

0 ≤ Uр ≤ Uр

Возможен  режим разложения с образованием прочного коксового слоя. В этом случае коксовый слой не разрушается, а возрастает по толщине. Во втором режиме непрочного коксового слоя, когда в определенный момент времени при достижении температуры поверхности, величины Тs начинается разложение и унос коксового слоя с поверхности.

Причина разложения и уноса - химический унос, в результате взаимодействия углерода кокса с продуктами сгорания.

С + СО₂ -+2СО

С + Н₂О->ОН + СО

Эти реакции  идут при температуре выше 2000К  т.е. необходимо, чтобы поверхность прогрелась до этой температуры Тs =1900…2100К        80% - 90% - химический унос, механический унос – частицы кокса вырываются с поверхности под действием аэродинамической силы набегающего газового потока.

3. Характерный, только для случая непрочного коксового слоя. Стадия квазистационарного разложения

Тпов = Тs = const

δк = δк = const

δк – квазистоционарная толщина коксового слоя;

Uр = Uр = const

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.3 Характер изменения во времени параметров разложения коксующихся ТЗП.

δунк – толщина унесенного коксового слоя с поверхности

tун – время уноса кокса с поверхности

tр – время воздействия теплового потока.

Требуемая толщина покрытия :

δп = δунк + δк , где

δунк = Uр* tун

tун = tp – tт – tu

 

Обычно tт « tун и tu « tун , δк « δунк .

Если пренебречь этими  малыми величинами, то требуемая толщина  покрытия будет равна :

δп = Uр*tp

Для расчета δп необходимо знать квазистационарную скорость разложения.

 

Тепловой баланс в зоне разложения. Скорость разложения.

 

Рис. 2.4

 

qвд - часть теплового потока затраченного на нагрев газообразных продуктов разложения от Тs до То;

qрк -   затрата   теплового   потока   на   физико-химические   процессы,   протекающие на поверхности слоя кокса;

qλк; qλг - затрата тепла на нагрев кокса и газа, находящегося в его порах, от Тр до Тs

qрп - затраты тепла на разложение исходного материала

qλп - затраты тепла на нагрев исходного материала от начальной температуры до Тр

Qприх = Qрасх = ΣQi

Qприх = qΣ*Sn*t [Дж]

Qλп = Cп*m_п*(Тр – Тнач)

m_п = Vп*ρп = Sп*δ*(Тр – Тнач)

Qрп = m_п*Qрп1 = Sп*ρп*δ*Qрп1

Qрп – тепло затраченное на разложение покрытия

Qрп1 – затраты тепла на разложение единицы массы

Qλк = Ск*m_к*(Тs – Тр)

к – косовое число

к = m_к/ m_п

m_к – масса кокса

m_п – масса покрытия

Qλк = Ск*к*Sп*ρп*δ*(Тs – Тр)

Qλг = Cп*(1 – к)*Sп*ρп*δ*(Тs – Тр)

Qрк = m_к*Qрк1 = к*Sп*ρп*δ*Qрк1

Qрк – затраты тепла на поверхности кокса

Qрк1 - затраты тепла на разложения единицы массы на поверхности кокса

Qвд = Cп*(1 – к)*Sп*ρп*δ*(То – Тs)*ηвд

Qвд – нагрев газа от Тs до То

ηвд – коэффициент вдува, учитывающий долю газообразных продуктов разложения, нагреваемых до температуры То непосредственно у поверхности кокса.

ηвд = 0,7 – при ламинарном режиме;

ηвд = 0,4 – при турбулентном режиме.

Тепловой баланс:

qΣ* Sп*t = Sп*ρп*δ*[Cп*(Тр – Тнач) + Qрп1 + Ск*к*(Тs – Тр) + Cп*(1 – к)* (Тs – Тр) + к*Qрк1 + Cп*(1 – к)*(То – Тs)*ηвд]

Скорость разложения :

δ/ t = Uр – общее выражение для квазистоционарной скорости разложения коксующегося слоя.

 Или Uр = qΣ/ ρп*Нэф , где

Нэф [Дж/кг] – эффективная энтальпия теплозащитного покрытия, характеризующая суммарные затраты тепла на все процессы, протекающие при полном разложении ТЗП.

Как видно из общего выражения, скорость разложения зависит от многих параметров и характеристик, точное знание которых чрезвычайно сложно, значит расчетом значение Uр можно определить приближенно. Ошибка может достигать 20% - 30%. Гораздо точнее можно определить Uр, а следовательно, и требуемую толщину δп, опытным путем. Особенно это касается вновь создаваемых ТЗМ.

 

3. Выбор методики измерения скорости разложения.

 

Существует несколько  методов измерения скорости разложения ТЗП. Есть метод перегорающих проволок или реперов. К достоинству этого метода можно отнести экономию в теплозащитном материале и простоту регистрации. Недостатки его из-за не параллельности распространения фронта разложения во времени, возможна ошибка в определении разности времени сгорания реперов.

 Так же можно  измерить скорость разложения, определяя среднею скорость разложения в двигателе. У нас есть теплозащитное покрытие определенной толщины. После прохождения тепловой волны замеряем толщину покрытия и время разложения.

                                    t = 0                                                      t = tp

 

Рис. 3.1

 

δп – толщина покрытия

δкон – конечная толщина  покрытия

δраз – толщина  разложения

tр – время разложения

Зная эти данные, можно рассчитать скорость Up = δраз/tp

Чтобы результат был  более точен, необходимо провести этот метод несколько раз, поскольку скорость разложения может быть разной.

Следующий метод при  помощи термопар. Их размещают в ТЗП на определенном расстоянии друг от друга.

Рис. 3.2

При разложении ТЗП поочередно фиксируем температуру термопары. Этот процесс можно изобразить графически :

Рис. 3.3

t1дост. – время достижения

Δt – прохождение конкретной температурной волны

Чтобы измерить скорость разложения возьмем определенную тетемпературу. Зафиксируем время прохождения  тепловой волны в 500 К к первой термопары, второй и т.д. Зная расстояния расположенных соседних термопар можно вычислить скорость разложения.

Up1 = h1/Δt1

Up1 – скорость разложения от 1 до 2 термопары

Итак до определенного  количества термопар.

Точность  метода высока, но метод более трудоемкий. Сложно изготовить образцы.

Еще один метод это  – оптический. Исследуемый образец  помещается между источником излучения 1 и фоторегистратором 2. В начале испытания регистрируется начальная толщина покрытия, а по истечению некоторого времени снимается другая. Так же в образце используется репер 3 для точного измерения изменения толщины ТЗП.

 

рис. 3.4

 

В ходе проведения исследования получаем два кадра, на которых видна разница  границы покрытия Δh = h₂ – h₁.

 

 

Рис .3.5

U_p=Δh/Δt

Достоинство этого метода, возможность измерения скорости во времени.

Недостатком является, сложность  обеспечения прозрачности внутреннего объема и более сложная измерительное оборудование.

Из всех рассмотренных  методов мы выбираем метод термопар. Он более точный, не такие большие погрешности по сравнению с другими и не очень сложный. При испытании измеряется давление в камере сгорания, время, температура и расстояние между спаями термопар.

 

4. Проектирование модельного двигателя.

 

Модельный двигатель необходим для создания потока продуктов сгорания, омывающих исследуемый образец. Он должен обеспечить требуемый тепловой поток к образцу.

Для разработки модельного двигателя в качестве исходных данных нам заданны время работы двигателя t=20c. и суммарный тепловой поток, который должен достигать значения q∑=10⁷ Вт/м². Давление в камере          Ро = 8МПа

Так же нам известно характеристики топлива:

Топливо – баллистическое

ρ_т = 1800 кг/м³

U1 = 1.43*10^-3 м/с и ν = 0,25 – константы закона скорости горения

U_* = 130 м/с – пороговая значение скорости газового потока

To = 3400 K – температура в камере сгорания

R = 342.5 Дж/кг*К – газовая постоянная

к = 1.18 – коэффициент адиабаты

ε = 0.6 – степень черноты

λ = 0,15 Вт*м/с – коэффициент теплопроводности

Сг = 1700 Дж/кг*К – теплоемкость

μ = 0,7*10^-4 – коэффициент вязкости

 

 4.1. Тепловые расчеты

Примем форму насадки  в виде кольца с внутренним диаметром d_обр и толщиной равной толщине покрытия δп.

 

 

Рис. 4.1

Необходимо подобрать скорость газового потока, при которой q∑=10⁷ Вт/м², т.к. (ρ*U_г)=f(U_г), а q∑ = f(U_г). Посчитаем суммарный поток при скорости лежащей в диапазоне от 100 м/с до 500 м/с

q∑ = qk + qл

qk – конвективный поток

qл – лучистый поток

qk = αk*(То - Тст)

qл = ε*εст*σ*((То/100)⁴ – (Тст/100)⁴)

αk – функция многих величин

αk = f(λ, μ, Сг, Р, То, Тст, U_г, x, t, …)

Для решения задач  используется теория подобия. В этом случае вводится безразмерные комплексы, которые есть сочетание нескольких физических величин.

αk = f(нескольких безразмерных комплексов)

Комплексы:

Re = (ρ*U_г)*χ/μ – Критерий

Pr = μ*Сг/ λ – Кр. Прандля

αk = Сг*(ρ*U_г)*А*Re^-m*Pr^-n

A, m, n – различные константы.

ρ = Ро/ R* To

 

Получим диапазон q∑ = 6,882*10⁶ … 1,864*10⁷

 

Поострим графики зависимости :

рис. 4.2

рис.4.3

Так же найдем внутренний диаметр d_обр и построим графики зависимости

d_обр = (q∑). Газовый секундный приход равен массовому секундному расходу:

m = П

П = ρт*Uт*Sт

m =ρг*Uг*Fпрох

Fпрох = π*d_обр²/4

Массовый секундный расход будем брать равный 2кг/с

 

Получаем график:

рис.4.4

 

Из полученных расчетов мы выбираем что диаметр образца d_обр = 0,03м, который обеспечивает Uг = 400 м/с; q∑ = 1,6*10⁷.

 

4.2. Геометрическое проектирование заряда.