Жидкостные ракетные двигатели Волков Е.Б. Головков Л.Г. Сырицын Т.А., страница 7

физическая картина рабочего процесса в камере ЖРД Рабочий процесс в камере ЖКД ск.шдывзгтся ит ряда элементарных процессов (этапов), основпыхн< из к<г<орь<х являются: — распыление компонентов гоплива на капли и первоначальное распределение нх в объеме камеры сгорания (макроперемешивание); — прогрев и пспарепп< капель; — перемешнгн<ни< паров <ор<очюо и окпслпз<ля (мпкро,перемешиваппс); — химическое взаимодействие мел<ну молекулами горки чего и окислителя (собственно горение); — выравнивание состава и параметров прог<)ктов сгорания (давлення, температуры, плотности и др.); — истечение продуктов сгорания нз <опла.

Заметим, что эта общая схема рябо'<его процесса в ос ионном одинакова как при использовании са«спосила«н" няющихся топлив, так и весах<овоснтах<с»я<оно<хся. Основная доля и тех и других сгорает в паровой фазе. Отлн <псм самовоспламеняю<цнхся топлив является более легкое образование газообразных продуктов первичного взаимодействия между горючим и окнслнтелем вследствие выделения тепла уже в момент контакта жидкостей (прп распылнвании и мак оперемешиванни). роме того, этп элементарные процессы совершаются нс в строгой послсдователыюсти один за другим, а в большинстве своем параллельно, т.

е. накладываясь один на другой и оказывая взаимное влияние друг на друга Песх<отря на это, рабочий процесс в камере обычно рис<к<азрнвают какпоточный, т. е, считают, что компоненты тон,тпва последовательно проходят ряд изменений, прсжде ~<ох< превратятся в продукты законченного сгорания. Такая трактовка рабоч< го про. цесса хотя н является упрощенной, схематичной, но позволяет более глубоко изучить отдельные элементарные процессы наметить меры эффективного воздействия на пих в желаемом направлении. Рабочий процесс в камере при стационарном режиме работы двигателя протекает так. Компоненты топлива впрыскиваются в камеру специаль,ными устройствами (форсунками). Форсу«ки дозируют рас:ла ы и и ое ды компонентов топлива, распыливают жидкости на ка- п<и и обеспечивают начальное перемешивапие компонентов топлива, гак называемое макроперемешиваннс.

Хорошее макроперемешивапис имеет существенное зпачеппс Лля цо ь иоты сгорания топлива, так как только прн этом возможны дальнейшее усшшнос миьроперемспшвапи< и ш обходпмьий контакт между молекулами горючего и оюнлнгеля. Ка шство макропсремешивания определяется выбором типа форсунок и размещением их па головке. В современных ЖРД применяются, как правило, головки с большим количеством форсунок. По этой причине, а также вследствие больших расходов топлива область камеры сгорания, пепосредсгвснпо примыкающая к головке, сильно насыщена жидкой фазой. Здесь газовая фаза имеет относительно невысокую температуру, так как тепло, подяолпмое сюда пз области развитого горения, расходуется па подогрев и испарение некоторой доли топлива, и это облегчаез защиту головки н форсунок от прогара.

Поскольку в головках камер ЖРД число форсунок всегда конечно и форсункн несколько отличаются друг от друга по параметрам вследствие неизбежного разброса пх размеров прн изготовлении. зо в одном и том же сечении камеры всею да имеются учас1кп с различной плотностью распределения капель и тчастки с преобладанием капель одного илп другого компонента топлива. Следовательно, головка неизбежно соэ. лас~ неравномерные ~я поперечном сечении камеры) поля расходонапряжепности и соотношения компонентов, что окнзывас1 сугцествепное влияние на дальнешпий ход рабочего процесса. Периферийные форсуики устанавливаются вблизи стенок камеры, вследствие чего некоторая часть топлива попадает непосредственно на стенку.

На стенку подается такгке и компонент топлива при внутреннем охлаждении камеры. Горючее и окислитель здесь перемешиваются в жидкой фазе, образуя эмульсию, которая движется вдоль стенки и виде жидкой пленки. Лля надежного охлаждения камеры пери(рерийные форсупки и пояса внутреннего охлаждения располагают так, чтобы у стенки образовывалось топливо с соотношением компонентов, далеким от стехиометрического. У такого топлива продукты сгорания имеют низкую тсмпсратуру, что облегчает тепловую знгциту сгепок, ио одновременно приводит к некоторому педоиспользованшо энср1ип зоп. лина.

Поток газа в камере подразделяют на присгеночный слой и центральное ядро. Таким образом, в результате первого элементарного процесса компоненты топлива раздроблены на капли и грубо перемешаны. Они неравномерно распределены по сечетпо и за счет перепала давления па форсунках имеют опредсленну1о скорость лвн.кения вдоль оси камеры. При эп>м часть топ- В) лина, по , попавшая на стенку, движется по ней в вндс жилкой пленки. При стационарном Режиме Работы двигателя капли попадают дают в газообразную сРеду, состоящую из паров компонентов н итон топлива и продуктов сгорания.

Так как у головки скость капель больше, чем скорость этой среды, капли увлекают за собой непосредственно примыкагошие к ним частицы ,газа, образуя спутпый поток газа. Это значит, что у головки цо направлению к соплу движется как пагга нпрыскивпемого ягидкого топливо, гпк и мгггтгг гпутного погокп газ>> ))о в установившемся Рг живце рнбогы расход нг гггесч на '>грег лн>. бое сеченяе камрры дол>кгн брьг>ь по ~ яцнып и равным расходу жидкого тогьгррвр> Следовательно, масса газ,г, рггрбна>г массе спутного потока, о пРомежугкнх мгжду каплями до'р. жна двигаться н обратном направлении --от сопла к фор.

сункам. Этн масса образуст организованные течения, так называемые обратные токи, горячего газа из области развя. того горения к головке. Очевидно, что увлечение газо каплямн происходит н местах с болыпей плотностью капель, а обратные токи сосредоточиваются н местах с мень>>>ей плотностью капель. Обратньге токи имсгот большое значение для второго этапа рабочего процесса, поскольку они являются основными источниками н носителями тепла, необходимого для первоначального испарения н под>инга>>ия топлива. Этого же тепла требуется очень много, так как секундные расходы компонснтов топлива велики, а одна только радиация из зоны развитого горения не в состоянии его обеспечить*, Обратные токи служат мошныаг каналом теплопгРедрчи от сгоревших порций топлива к впрыскиваемып.

В этом и состоит их главная роль. !(Роме того, обратные токи турбулизируют основной поток газа, способствуя более быстрому перемешиванию паров компонентов топлива. Однако механизм передачи тепла от обратных токов к каплям еше недостаточно изучен, ))екоторые исследователи ~241 полагают, что наряду с обычными способами передачи тепла (теплопроводностью, коивекцией и излучением) в этом процессе известную роль играет и хемилюмипесценция. Итак, создаваемая головкой определенная неравномерность в расходонапряженности служит причиной возникновения обратных токов, обеспечивающих стабильное поджигание впрыскиваемых порций топлива.

С этой точки зрения она является не только полезной, но и просто ггеобходимой для рабочего процесса в камере ЖРД. аб, р. бр * Р РРЮ щ а р» р '.: « ' РМРР ' р 4й"„.,:, ' Элементарные расчеты показывают, по благодаря раанаппн и попову в аа У арубапгечном прогтран гве топлнво помбо гболтчнп, п - б рлре тепла, необходимого для е>о нагрева н нгпареннн. 35 гти капель, составляющей приблизительно 5 — 15% от всего топлива. Пары компонентов топлива, перемешиваясь в результате молекулярной н турбулентной диффузии ", образуют очаги гомогенной, спосооной к горению смеси. Смесь в этих очагах воспламеняется обратными токами н выгорает.

Сгорание этой части топлива ускоряет подогрев, испарение и перемешнпанне соседних капель; сгорание сопровождается резким увеличением температуры (и объемы) реагирующей омеги, и рагчгщргпощиех я продукз ы г горания дополнительно турбулн зц10 юг ногок газа. Такнкг образом, послед)кмцее испарение .гоплнва осуществляется одновременно с его сгорапиель По мере того как испггряются и выгорают капли, скорость газа возрастает (благодаря подводу массы и тепла к нему) и становится близкой к скорости капель. Вследствие этого уменьшается спутпый поток газа и соответственно интенсивность обратных токов, что уменьшает приток тепла из глубины камеры. Однако теперь выделяется достаточно тепла в результите иьн орания испарившихся капель топлива, так что прогрев и испарение оставшихся капель происходят за счет этого тепла.

В некотором сечении камеры скорость газа становится равной скорости капель, и обратные токи перестают существовать. Испарение капель осуществляется теперь только за счет «местных» источников тепла (очагов сгорающей гомогенной смеси). В дальнейшем скорость капель становится меньше скорости газа, и оп сам начинает увлекать их. Это приводиг к еще большей интенсификации процесса, который приобретает лавинообразный характер, чему способствует то обстоятельство, что к этому моменту оставшиеся капли уже достаточно прогрелись и местные источники поставляют много тепла на их испарение.

В этих условиях оставшаяся часть жидкого топлива испаряется и сгорает на очень коротком участке камеры. В ядре потока первые четыре элементарные составляющие рабочего процесса в основном завершаются на длине порядка !00 лгм, У стенки жс выгорание топлива затягивается, так как здесь оно плохо раздроблено и подвод тепла для его испарения менее интенсивев, чем в ядре потока. Границы зоны развитого горения в ядре потока и пристепочном слое схематически показаны на рнс.

1.1. В камерах ЖРД отсутствует фронт пламени в таком виде, в каком он существует прн горении гомогенной горючей смеси, т. е. в виде определенной поверхности ", по одну сторону которой находятся ' Возбуждаемой в о ноевом обратными токами, а также пиркулявией газа прп обгекаиии им легяпгих кап:ль.

"' Точнее, зовы с очень малой галгпииой порядка лликы свободного пробега молекул. Зб ХОДНЫЕ ВЕЩЕСтаа, а по ДРу~Ую — пРодукты реакции. 11тлп'чительная особенность горения в ЖРД состоит в том, что оио происходит в некотором объеме и протекает попутно испарением капель и смешением паров козгпонентов топлива, НачальнУ1о гРаницУ зоны Развитого гоРениЯ составляют точки пространства, в которых начинается выгорание первых испарившихся и перемешавшихся капель.