Сравнение различных моделей электризации частиц конденсированной фазы в камере сгорания модельного жидкостного ракетного двигателя

Язык труда и переводы:
УДК:
536.461:537.84:621.4
Дата публикации:
03 января 2022, 02:49
Категория:
Секция 03. Основоположники аэрокосмического двигателестроения и проблемы теории и конструкций двигателей летательных аппаратов
Авторы
Сафонова Дарья Борисовна
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
Рассмотрены математические модели для расчетной оценки заряда, приобретаемого частицами конденсированной фазы в ионизированных потоках продуктов сгорания модельного жидкостного ракетного двигателя, работающего на жидком этиловом спирте (75 % по объему) и газообразном кислороде для различных режимов работы. Проведено сравнение результатов расчетов по трем моделям. На основании полученных результатов сделаны выводы о применимости той или иной модели для конкретного случая.
Ключевые слова:
конденсированная фаза, двухфазные потоки, заряд твердой частицы, ионизация
Основной текст труда

Поток продуктов сгорания топлив ракетных двигателей, в частности, жидкостных (ЖРД), содержащий заряженные частицы (электроны и ионы), а также частицы конденсированной фазы (k‑фазы), которые приобретают электрический заряд, несет информацию о техническом состоянии двигателя, его газового трактв, а также других важных его элементов, подверженных разрушению в процессе работы. Поэтому в настоящее время практический интерес представляют системы электростатического мониторинга, основанные на регистрации электрофизических характеристик рабочего процесса и позволяющие своевременно выявить аномальные процессы деструкции элементов ЖРД.

В работе рассматриваются три математические модели для расчетной оценки электрического заряда, приобретаемого частицами k‑фазы в ионизированном потоке продуктов сгорания модельного ЖРД на топливе: этиловый спирт (75 % по объему) и газообразный кислород при следующих рабочих параметрах. Коэффициент избытка окислителя берется из диапазона α = 0,5…2, а давлении в камере сгорания pк= 0,5…3,0 МПа. Рассматриваются частицы металлов, их оксидов и углерода Cr, C, Al, Fe, Al2O3, Fe3O4, которые могут появляться в тракте жидкостного ракетного двигателя в процессе его аномальной работы (в процессе разрушения). В первой модели [1] электрический заряд частиц оценивался в предположении ионизационного равновесия в системе «ионизированные продукты сгорания и твердая частица к-фазы» в зависимости от значений критерия: отношение радиуса Дебая к радиусу частицы k-фазы, т. е. если радиус частицы меньше радиуса Дебая и радиус частицы конденсированной фазы больше радиуса Дебая. Во второй модели, разработанной китайскими специалистами, в попытке решить проблему контроля разрушения компонентов газового тракта, анализируется расчетно-экспериментальная зависимость величины заряда [2], применяемая в алгоритме системы диагностики разрушения тракта аэрокосмического двигателя. Третья модель [3] основывается на уравнениях термоэмиссионной зарядки сферической частицы металла, окруженной k-фазой, для области ее отрицательного и положительного заряда. Исходными данными для определения зарядов по рассмотренным моделям являлись концентрации электронов в продуктах сгорания модельного ЖРД [4], полученные в результате выполнения термодинамический расчет состава продуктов сгорания этилового спирта и кислорода при различных соотношениях компонентов и значениях давления в камере сгорания.

В результате расчетов по каждой из трех моделей получены значения электрических зарядов для диапазона диаметров частиц конденсированной фазы 10…200 мкм. Оценена область применения рассматриваемых моделей при вариации граничных условий применительно к режимам работы модельного ЖРД. Полученные результаты могут быть использованы при параметрической диагностике технического состояния ракетного двигателя.

Литература
  1. Жуховицкий Д.И., Храпак А.Г., Якубов И.Т. Ионизационное равновесие в плазме с конденсированной дисперсной фазой // Химия плазмы / под ред. Б.М. Смирнова. М.: Энергоатомиздат, 1984. № 11. С. 130.
  2. Liu W., Huang M., Wang Ya., Zhang M. Design and test of sensor for aircraft engine gas path debris electrostatic monitoring // MATEC Web of Conferences. 2017. Vol. 139. Art. ID 00145. DOI: 10.1051/matecconf/201713900145
  3. Лялин Л.А., Семенов К.И., Калинчак В.В., Копыт Н.Х. Электрофизические параметры высокотемпературных металлических частиц // Электрофизика. 2009. С. 150–159.
  4. Трусов Б.Г. Моделирование кинетики химических превращений: термодинамический подход // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. 2005. № 3. С. 26.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.