郑州达冠环保生物质燃烧机手册

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郑州达冠环保生物质燃烧机手册

    1 T形生物质燃烧机的评价和局限性

    火箭燃烧室中有害的振荡问题由来巳久，无疑将常会出现。由于燃烧室是一个损失比较低的空腔，这个腔可供给很大的能量，因而很容易激发和保持常常具有大振幅的声波。只需要燃烧过程释放出来能量的很小一部分，即可激发这个不可能接受的强振动。

    对这类波的稳定性起主要作用的因素有：几何形状，粘性损失，排气喷管，燃烧室气体中微粒阻尼以及振荡与燃烧过程之间的相互影响。后一项是主要激发力，它的测量是本报告的主题。

    燃烧室中波的稳定性近似分析，典型地可导出一个小扰动增长率公式。这个增长率等于上述相应各项作用的总合，有些项可以十分的计算，虽然对燃烧分析是有益的，但性是可疑的。在任何情况下，目前要对给定的推进剂地计算它是如何激发振荡的，实际上是不可能的。因此，测定推进剂特性具有现实性。

为了测量燃烧和气流振荡间的相互影响，仅有几种可能用的装置和方怯。其中，生物质燃烧机在目前是好的。本报告的大部分内容是提供具体的T形燃烧器的试验技术，它的变形也提到了，其他装置没有介绍。

    管型装药的”侈燃烧器在1958年出现（参考文献1）。本报告的主题是推荐装药放：在两端的T形燃烧器，它的工作情况在参考文献2中（一端燃烧结构的说明，早出现在分娄文献（海军武器中心）中。而单端结构是在1960年讨论(参考文献3)的。一一原文注）进行了讨论。T形燃烧器所以具有吸引力，主要是由于简单，使用容易，而且提供数据便莉，，迅速。正如本报告下面叙述的那样，虽需过细地对待那些关键性步骤，但有可能将T形燃烧器的测定简化为一个常规问题。

    简单形式的T形生物质燃烧机是扁平的推进剂试件装在两端，因此垂直子管轴的燃烧面受到限制。它只能小于或等于管的横截面。这种形式的生物质燃烧机有若干局限性。对于弱不稳定推进剂除非（可能的话）施加脉冲，否则给不出数据。实际上更重要的局限性是对于含少量金屠（通常是含铝）的推进剂欲测得数据是困难的。对于含金属多的推进剂，除非采用的装？置●否则欲测得数据是不可能的。这是由于推进剂中的全属颗粒或金属氧化物颗粒对声波盼高度阻尼所致。因此，有必要强调指出，对于多数常用推进荆，简单的T形燃烧器是不可能激发的（也就是不振荡），监且由于这个道理，在后面要讨论有关大发动机的低频范围的数据难以得到。

    今后，随着试验装置的发展和它的变型，这些局限性可以缓和。目前，可以用杯形装药（也就是一端的燃烧面大于管的横截面积）克服部分问题。这样一来，激发振荡的力就增船了，采用这种方法，在T形燃烧器中激发弱不稳定推进剂和含铝推进剂振荡的例子很多。然而，如果按照第三章讨论的公认办法去处理数据，至少在意义上或根据测量，数据的可靠程度目前还不清楚。

    除剐刚提到的一些局限性以外，使用中还有某些困难。常见的是数据粗糙和测量的重复性差。例如，对于不同的观测者，有时不可能对同一试验记录作出的明确译释。甚至对于重复性很好的数据译释的结果也不完全明确．

    上述评论是企图强调，现有的试验装置都有其局限性，而且注意到燃烧器的使用条件和数据的译释。尽管如此，从发展规划这一实用目的出发，T形燃烧器是很有用的。即使测量结果在意上是可疑的，但是它能很快地和容易地给出推进剂的相对稳定特性值。明显的是能定性的给出茌T形生物质燃烧机中激发振荡是容易还是难，也就是在燃烧期获得振苈振幅的增长率和振幅峰值。但是，谨慎使用这些资料。例如，很可能在T形生物质燃烧机中证实推进剂燃烧没有振荡，但在全尺寸发动机中将有振荡，已经知道有很多这样的例子。

    不管是以全尺寸发动机的研究为目的，还是为计算全尺寸发动机的稳定界限，更多地详细了解T形生物质燃烧机还是需要的。为确定推进剂特性，要有好的定量资料。在这方面尚有很多改进的余地。因此，本报告的目的；，把大约十二个不同实验室采用T形生物质燃烧机的经验汇集成册。详细制定成功的试验方法。第二，推荐试验方法和试验条件的标准化，这就为不同试验室测量结果的比较提供一个共同基础。第三，重述几个典型测试记录，观察在记录上显示构实验故障情况。第四，如果承认公认的译释，通过对生物质燃烧机的简要分析就可澄清澍量中的问题。这个分析也可作为讨论T形生物质燃烧机某些局限性的规范。所有的计算都放在附录中,T形生物质燃烧机的所有结构和使用资料是本报告的主体。

    1.2不稳定燃烧和声导纳系敛

    毫无疑问，现已确立的固体推进羽火箭发动机燃烧室中振荡的激发和持续的机理存在于燃烧表面上薄薄的燃烧区。振荡或任何形式的瞬态偏移与燃烧过程的耦合起因于压力或速度的波动，或者两者兼而有之。然而本报告叙述的试验装置和测量技术，仅于压力耦合的测量。至今，企图测量速度耦合尚无确切的结果。

    燃烧室中的机械能，即位能和动能都可与任何扰动相联系。根据能量守恒，推进辩趋燃，烧受到作功而激发扰动。简单的情况是燃速的变化对压力的微小变化的响应结果。因此j从燃烧区流到燃烧室的燃烧气体的速度就有变化。单位面积的瞬时作功功率是由波动引起的，这个功率等于压力以及与压力同相位的速度分量的乘积，这个功率与所说的由活塞或扬声器在阻抗管中激发振波所作的功率相似。作为次近似，假定速度的变化简单地比例子压力的变化(6ucc6P)是合理的。按照标准化形式，对于正弦曲线波的情况，其比例系数叫卢导纳系数Ab。

    为充分研究燃烧室中的波，考虑到全部声能的增益和损失。声导纳函数表示的作用（一般是增益）是激发振荡的主要机理。虽然它仅包括边界上的P-u作功速率，但在一定意义上与经典声学中何物质表面响应的表示法非常相似。在燃烧室中，其他的损失和增益能源包括；波动与平均气流的相互作用，喷管，气体中固体微粒引起的阻尼，气体和推进剂装药粘性应力引起的阻力。其中平均气流的影响可以正规地表示为边界效应，所以在稳定准则中比得上声导纳的地位。

    一

    在附录B和C中，给出了有关燃烧室中波的线性稳定准则，实际上是Ah‘V’+Mb的其他一些细节，其中M。是稳态气流离开燃烧表面的马赫数。此外正是这个组合，可以从T形生物质燃烧机的测量中提取。由于在此讨论这一问题会引起一些干扰，于是相关的讨论就列于附录C中。．

    另外，根据这里确切定义的形式，声导纳A。在文献中不是总出现的。其他几个与Ab直按有联系的、常常用来讨论燃烧稳定性和T形生物质燃烧机测量的量引证于附录C。另一种形式的假定是燃烧区边界上的波动过程是等熵的。这个假定从来就不真实，在一定条件下误差可能很大。这个问题在附录C中将进一步讨论。就现实使用的T形生物质燃烧炉来说，如果的确遵循第三章提供的程序，这个误差是次要的。

  虽然提供了计算声导纳函数的公式(见附录D)，但计算的结果是有很大局限性的。从实用出发，特别是如果欲确定推进剂组分变化的影响时，测定声导纳函数。现在，不仅对于研究工作，而且对于研制工作，用T形生物质燃烧炉测量声导纳函数或声响应是好的方法。在理想情况，测量出燃烧室内压力时间曲线，根据(3.1.1)和(3.1.2)式就可直接给出声导纳函数。

    但是会引起结果的再现问题，不同实验室获得的结果不一致问题和实验方法上的争论问题。在附录A中提供的系列试验报告，部分地强调了这些问题，而不是解决这些问题。为了阐明选择什么样的现有程序是有前途的程序，纵使在某种程度上认为本报告确定的标准是暂时的标准，这也是很必要的。三个主要的疑难问题将在§1.4中加以说明，而在报告的后边将更充分地讨论。

    1.3 T形生物质燃烧炉的一般描述

    T形生物质燃烧炉基本土是一个简单装置，它通常由直径大约为112英寸的钢管制成，中央有一个排气孔，圆盘形的推进剂试件安装在两端，这种结构使得声能损失率相当地小。频率低的纵向声振荡型是自激发生的，使推进剂呈现出很大的声导纳函数实部。振荡频率可由燃烧室长度L地确定，其公式为

    f=a。／2L（赫兹）式中a。是沿燃烧室长度L(实质上是用可测量的f和L定义a。)的平均声速。因此，为了确定作为频率函数的声导纳函数的管的长度改变。频率变化范围建议在500-5000赫兹之内。P64-    除了管长之外（也就是振荡频率），还有两个试验变量：平均压力和推进剂试件的初始温度。选用的标准量是300磅／时(21公斤／厘米2)和(70±10)。F即(21±1.2)℃。建议充填氮气预压T形生物质燃烧炉和相配的贮箱，用来校准压力。’．

    需要测量的是压力时间曲线，它是由安装在每一端推进剂试件后面的传感器测得的。在§2中给出了所建议的仪器的细节，而在§4和附录F中将对记录进行译释。

    1.4疑难问题

    三个主要争论点是点火方法，试验方法的类型（也就增长／衰减法与可变燃面法的比较）和试验记录的详细译释。在§3.2中讨论了几种点火方法。要充分注意到这一点，即结果的重复看来主要取决于两个推进剂试件迅速，均匀和同时点燃。这是十分明显的，因为各个试验的机械特性和物理特性能够十分的控制。但是一旦点火，就什么事也不能再做了，而且由于点火瞬间出现的差别，使得压力时间曲线间的许多细微变化看来变大了。

    为了用T形生物质燃烧炉测取声导纳响应函数，采用了两种主要技术，一是在一次试验中测量压力振荡的增长率和衰减率，根据频率范围和选定的其他参数值给出声导纳函数A“的实部。另一种是在几个燃烧表面面积不同的试验中仅测量增长率。在附录E申给出了两者的论证。但没有在这两种方法中做出选择。即使很多数据是用增长／衰减法获得的。用两种方

法获得数据是需要的，目前，在相同的实验装置中，用两种方法获得的声导纳函数的结果很不一致。这就表明，两种方法都包含固有的误差，但是如果T形生物质燃烧炉用于研制工作，固有误差是不重要的。

    作为一个实用问题，能够成功地使用每一端试件的燃烧丧面面积比横截面大的生物质燃烧炉是特别重要的（也就是用杯形推进剂试件）。从实用上看，虽然这种药型结构试验的测量方法实际上不是用增长／衰减法就是用可变燃面法，但在增长和衰减期内生物质燃烧炉中的流动情况截然不同，看来可变燃面法更有前途。另一方面，当燃烧面变化时流动情况也要改变，正像附录E中所讨论的那样，这种方法取得数据的可信程度也是可疑的。很明显，如果可变燃面法在可信程度这一点上得到改进，不论对实用还是对研究，T形生物质燃烧炉的用途必将大大地增加。

    怎样才能更好的处理原始数据的问题是更为细致的一项工作。其困难在于不能记录出单的增长和衰减指数。一般来说，一个给定的试验其频率始终是变化的。这是因为燃烧室内实际温度是变化的；而且从细节看记录的重复性是不容易得到的。大部分问题都出自点火过程以及增长相衰减期间的冲涮条件所引起的瞬交特性。另外非线性特性可能影响所得结果，在这方面还不完全清楚。在§4和附录F中这些问题讨论的更为详细，韭提供了现行的方法。

2.1几何形状和结构

2、生物质燃烧炉设计和测试

    建议T形生物质燃烧炉用钢管做成，其内径为1.5时，以及厚度至少为0.25时。正如图2.1所表示的那样，燃烧产物要通过中央排气孔排出。可用一个短的刚性管将燃烧器和减压箱或卸匝箱连起来。流动不必处处都是声速的，减压箱大，大到足以使平均压力保持一个合理-bO—一thJ常数，就0.25时厚的推进剂试件和5叹3减压箱而言，平均压力将从300磅／时t．oK大体上升io-is磅／时2．。K，这认为是合适的．声速喷管的主要缺点是。在需要采用小喷管时难以得到所要求的压力，以及在衰减期平均压力要发生变化。T形燃烧器三个主要组成部分，即两个管，两个端盖和一个中央联接件。或者采用附加管及管间的联结件或者采用较长管做成更长的r形燃烧器。但是，由于接头多了会引起一般地不能重复的未知损失，因此，方便的装置是取消中央接件蓝使用一个单管，为适应排气孔的要求，单管的壁可厚些，：如图2.lb所示。就国际化学火箭推进剂组提出的试验数据报告而论，建议采用的长度范围大约为4 -44时及其所包含的频率范围为500-5000赫兹，可在箱中放置能起热沉（吸热）(Nwc)作用的一大堆链子或在箱前的排气管道上联结一个冷却装置（罗姆和哈斯）以降低试验中卸

    图2.1 T形燃烧器结构简图    压箱的压力上升。如果采用氧化气体（比如空气）对系统加压，也就有可能采用较小的卸压箱蓝有助于避免再点火的任何困难。还注意，继燃烧完之后，从卸压箱到燃烧器定有气体回流。巳采用止回活门或其它一些方法解浃这一问题，但未予推荐。这构成了试验的衰减段所得到数据中含有不性和误差之源一

    如图表示的通过排气孔引入点火导线已证明是满意的，通过排气管上安装的绝缘导管穿入导线，有些使用者通过靠近推进剂的侧壁处穿入导线，因而避免了导线留在管中引起损失包含更多不性的可能性．但是，试验图象表明，这种挂虑是不必要的，至少小于12时的燃烧器是这样。在较长的燃烧器中，由于气体流向排气孔时冷却相当大，虽成段的导线有可能留在燃烧器中，但未观测到。在任何情况下，巳证实，采用绝缘导管诸如电子手表密封有限公司（伯班克、加里福尼亚）制造的承受高压的电接线柱是满意的。

    如果燃烧器很长，即频率在大约1000赫兹以下的情况，燃烧室中的状态在增长期是非均匀的，而且在不断变化。非均匀温度的修正（见附录B）就变得很重要而且不大可能地适用于增长期的初始段．由于这种原因，巳做出一定努力设计各种延迟振荡的装置，使热气体能充满燃烧室。比如，海军武器中心巳在燃烧器中央安装了一个蝶形阀，而弹道研究实验室、联合技术中心和艾菜格尼弹道实验室是在推进剂中安放易燃片。这两种方法看来都具有潜在的实用价值，而且巳做了许多成功的实验。但是，由于霈做一些附加工作，以弄清诸如蝶形阀对具有平均流和没有平均流时对波衰减所引起的不性，因此这里就不进一步探求这一课题了．

    2.3温度和压力控制

    要求对推进剂的初温进行控制．如果将推进剂安装在绪如端盖这样的部件中，必要时还可放在保温箱中，即可有效地得到的控制。只要十分迅速地装配燃烧器监进行试验，推进剂温度就不会有很大变化。目前尚未表明小的温度变化的重要性，但大的温度变化(40对50度或更大)可使燃烧的推进剂的动力特性产生显著的变化。在某些情况下，已得到十分显著的影响，建议标本温度为70±lOoF。

    平均压力的影响很可能更为显著。可用高压氮气使整个系统(T形燃烧器和衡压器)加压的方法得到压力控制。通过衡压器上的通道引入（氮气）是方便的。就向国际化学火箭推进剂组提出试验结果而言，建议标准压力为300±10磅／时l.oK。

3、实验方法和测量

    3.1增长、衰减和可变燃面试验方法

    由于1.4节中已经指出，所以有关试验类型，这里就不再介绍了。从压力记录中获得导纳函数的两种方法都含有误差和假设条件。但就试验方法和测量的细节而言，这两种方法是相似的。然而，为从各自的试验记录处理中得到导纳函数所需要的系列实验是不同的。

    当采用增长、衰减方法时，试验增长期间和燃烧完以后衰减期间的数据都要用，如果这两期间内的压力振荡的振幅随时间的变化能用指数函数表示的话，那末增长期的振幅变化为exp (agt)，衰减期的振幅变化为exp(- aat)，下面3.4节中表示出一些典型的记录。进而，如果我们再作一重要的假设，即：左增长期和衰减期的机理和声能损失量是相同的。那么导纳函数的实部可以附录B中推导出的公式(B17)计算：

Ab(-) +Mb= 2L (a。+ad)

( ao)

    a-

(3.1.1>

    其中Mb是离开燃烧表面的稳态流马赫数，L是燃烧器长度.S。是横截面积，S。是燃烧器的一端试件的燃烧表面积，实测声速为a。=2 fL,其中f是实测频率，a。是推进剂燃气的理想声速（绝热声速），用a。／a。的比值近似地考虑温度的不均匀性．在低频（长燃烧器）时，由于热损失大,a。<a。，所以该修正值是相当大的。

    由于增长、衰减方法中a．值与一给定的a．一起出现在方程(3.1.1)中，所以，带来一个大的难题就是确定a。的修正值问题。如果采用上述假定的话，那末就可采用同一试验中的a。和a。值。是因为条件不同，主要是在增长和衰减期的温度、流场、频率是不同的，所以误差是不可避免的。如果我们从许多试验中积累数据，那未有可能推断出对具体试验更接近真实的a。值，尽管它监不是从压力曲线上实际测得的数值。实际上，将这种方法中重要的假设条件放宽了。但是由于引入了试验间的变化，所以在数据处理时更应注意。有关这点的进一步说明参考附录E。

    其次，从方程(1.2.4)呵见，假设在火焰中的波动也是绝热的，那末A。+M。=rMb (m'lm)(P 7／P)。因此，质量流量对压力变化的响应可直接从压力曲线上得到。但是，在实际情况下，状态是绝热的这一假设不总是一个很好的近似(见附录C)。

    可变燃面方法是将方程(3.1.1)改写为以下形式作基础的。

    agL一=(‘_})(_alb) (AbtY) +Mb) -j  2L一    (3.1.2)

    2 a。    。    l。

    此方程可用于S。>S。和S。<S。两种情况，所有可控制的方面是相同的，只是改变燃烧面积S。，进行系列试验。根据(3.1.2)，如果损失（即a．）与面积比无关，那么所测得的以无因次形式表示的增长常数(a；L/2a。)与这些试验的面积比的函数关系必是一直线，其斜率是(Abn’+Mh)，截距(对于a。=0)给出无因次衰减常数。这方法中一个重要假设是机理和声能损失量对所有面积比S。/S。值来说是相同的。一些可供利用的资料（海军武器中心，加里福尼亚工学院）指出，作出的图不是直线，在这种情况下，可用方程(3.1.2)外推到S。/S。=0，将给出S。一o的0【。值。

    如果0c。对Sb/S。的关系不是一直线，那么上述所提及的假设是与事实相违背的。目前，还投有象增长、衰减方法中的数据处理方法那样力求在一定程度上校正这种方法的不足。

    大多数现有的数据是用增长、衰减方法取得的，通常用推进剂圆盘形试件填满横截面，即Sb/S。=1。因此，目前还不可能对两种方法作完全令人满意的比较，有些数据在附录A中给出，对两种方法的更详细的评沦在附录E中给出。

    3.4点火方法

    不分强调良好点火的重要性，主要是要求获得两块试件均匀而同时的点火，不良点火在多数情况下会对试验记录的重复性产生的影响。在所有情况下采用电点火，而现行的点火方法分为两类。-是采用推进剂粉末，以加速点火时火焰在推进剂表面的传播，另一是采用烟火剂糊。

    点火器可以用一不长(3/8时-1时)的0.010镁或LOR热熔金属丝缠绕或焊接到铜丝上做成，铜丝可用28-32‘的漆包线或纱包线。点火线可以穿过燃烧器或穿过如§2—1中所提过的排气孔上的绝缘通孔。如果点火线穿过燃烧室，在长燃烧器中，有可能在点火期间点火引线下能全部烧完，剩余部分将引起声能损失，也许影响很小，但却影响的重复。另

一可供选用的方法是（联合技术有限公司）点火线可以通过装药试件，蓝接到装入端盖的陶瓷管内的电极上，镍铬电桥丝可用少量的Duco胶合剂贴在装药表面。

    当采用推进剂粉末时，从试验装药上刮取少量（0.5～1毫升）药末放在燃烧器两端紧贴装药表面处。监且在装配以前用手工铺在装药上或者在端盖装入时摇匀。使用少量的胶合剂(如Duco)可粉末枯附在表面上，但指出，当使用装药粉末时，爆燃是一个潜在的危险。

    使用烟火剂瑚时，在镍铬电桥丝接上以前，装药表面铺上一薄层烟火剂糊，更好的方法是可制成小药片(约1-2 gms)粘贴在镍铬丝周围。高速摄影表明应用电脉冲技术可显示出点片向装药表面上喷射热气和微粒的现象，因此，达到了非常迅速地均匀点火。利用烟火剂糊的缺点是，在燃烧室内产生了不同燃烧产物，但是从采用高速摄影的一系列试验（加里福尼亚工学院）表明，它们很快地从燃烧室内流出，看来不是一个问题。

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