Жидкостные ракетные двигатели Волков Е.Б. Головков Л.Г. Сырицын Т.А., страница 8

Конечную — точки, где химическая реакция между горючим и гигислнтелем полностью завершилась прп местном соотношении компонентов. По рассмотренным выше прг1чниггы рас. стояние между начальной и коиечш>й граш1цнмп н ядре потока меньше, чем в прпстеночиом слое. Г~анн м зрим грряяия Время, необходимое для преобразования жидкого топлива в продукты сгорания, зависит от скорости протекания отдельных элементарных этапов.

Этап, протекающий с наименьшей скоростью, и определяет это время. Следует отметить, что время Рнг. 1.1. паломника зоны раз- акгаго горення а камере гКРД сгорания топлива в ЖРД очень мало (всего несколько тысячных долей секунды), а отдельные его этапы завершаются в еще меньшие промежутки времени. Малая длительность этих этапов и трудность экспериментального исследования рабочего процесса в камере )КРД не позволили еще с высокой степенью достоверности установить, какой из этапов и в каких случаях является определяющим. В настоящее время большинство исследователей рабочего процесса ЖРД 16) полагает.

что таким этапом является подогрев и испарение капель, а смешение паров и химическое Взаимодействие между ними завершаются значительно быстрее, чем испарение, вследствие сильно развитой турбулентности и высокой температуры в камере сгорания. Дробление жидкостей на капли и макропсремешивание полностью совмещаются с этапами подогрева и испарения капель и влияю~ иа время сгорания топлива только через размер и начальное распределение капель.

Коротко эту гипотезу можно сфорМУлиРовать следУюшнм обРазом: все, что испаРилосдь сгорело. В соответствии с таким предположением у конечной границы зоны горения в каждой ее точке устанавливаются термодинамически равновесный состав и температура продук- ТОВ сгорания, соответствующие местному (в данной точке) соотношению между компонентами топлива й и давлению в маме е а ере Рк. Ввиду того что головка создает неравномерное ИИ1ле й состав и температура продуктов сгорания также не- 37 равномерно распределены по сечению камеры.

Продукты а„, сгорания, образовавшиеся при /г))Ф,р (Ф„,.=-.." — - среднее 1г соотношение между компонентами топлива, поступающими в головку), содержат избыток окисляюшпх газов, таких, как Ом О, ЫО, в то время как продукты сгорания, образовавшиеся в областях с /г <' )г„р, отличаются избытком восстаповительнгях газов (СО, Нм Й и т.

п.). Естесзвепно, что при смешении таких продуктов будут проигходпть химические реакции с выделением дополнительного колнче тва тепла, .ято смешение осуществляется нрп дальнснйпем чвпжс ппп продуктов сгорания. Таким образом. в камере сгорания мон но выделить две основные зоны: зону под~о~паки и ныгоранвя топлива при местных /г и зону выравнивания ш сгава и пара метров продуктов сгорания. Перенос вешества поперек потока во второй зоне осуществляется турбулентной дпффузией. Опа обусловлена н основном неравномерным распределением плотности продуктов сгорания (что происходит нз-за неравномерности в расходонапря'кенпосгп, создаваемой головкой: в местах г большим расходом топлива образуется и большее количество продуктов сгорания).

Это приводит к поперечным перетеканиям газа в места с мепыппм расходом топлива. Интенсивность турбулентности во второй зоне камеры значительно меньше, чем в первой, поскольку основные возмущающие газовый поток факторы (обратпыс токи и капли) здесь отсутствуют, а специальных турбулизаторон в камерах нет. Перемешивание продуктов сгорания во второй зоне осуществляется поэтому значительно слабее, и для его ночного завершения необходима длина, значительно болыпая, |см для завершения процесса горения. Камеры сгорания современных двигателей выполняются относительно короткими (2 — 3 диаметра цилиндрической части), чтобы уменьшить нх габарит, вес и облегчить условия охлаждения (уменьшить тепловоспринимаюшую поверхность). Поэтому на расстоянии, равном длине камеры сгорания, успевают перемешаться только соседние, близко расположенные друг к другу слои газа.

Следовательно, во второй зоне исчезают только местные (приблизительно в масштабе расстояния между форсунками) неравномерности в распределении состава и температуры продуктов сгорания. Перемешнвание же далеких друг от друга слоев газа (например, центральных и периферийных) на этой длине не успевает завершиться, и в сопло втекает газ с неравномерным по сечению распределением параметров, что иллюстрируется рис.

!.2, на котором изображено распределение температуры и я в этом и других сечениях камеры, За время движения газа по соплу эта неравномерность практически не изменяется, так какэто время очень мало( а интенсивность турбулентности здесь еще мепшие, чем в камере сгорания. Гашение турбуле!ппо. сти обусловлено денс!вием вязкости (внутреннего трения) и ускорением газа.

<;.>сдовзтс.>ьно, из сопла истекает газ приблизительно г >оп 'ьс степенью меранномериости состава н паране>ров, !го и в конце камеры сгорания (рис. 1.2). Это снижает экономичность двигателя (уменьшает удельную тягу), так как химическая энергия продуктов сгорания полностью не реализуется (не используется для ускорения газа). В то же время слабое перемешивание продуктов сгорания в масштабе диаметра камеры имеет и некоторую положительную сторону. Ьлагодаря этому низкотемпературиый слои Рнс.

>ЗЬ Эпюры соомтошенпя меж» ьо>шопе~»гааги топлива н температ>ры прод>ктов сгорания в различнь|х сгчг пнях камеры ЖРЛ газа у стенок сохраняется но всей дчине камеры двигателя, что существенно облегчает ее тепловую защиту. О расчете рабочего процесса в камере ЖРД Произвести расчет рабочего процесса в камере ЖРД— это значит найти значения каждой из нижеперечисленных величин в функции координат и времени, т. е.

определить значение этих величин в любой точке камеры в произвольный момент работы двигателя *. Такими величинами являются: — температура, давление и плотность продуктов сгорания; — составляющие гкорогти газа по '>рсм осям координат; * Заме>им, гио здесь рассмюрпаас>ся вопрос о расчстс рабгжего пРоцесса на установившемся режиме рабогы двигателя. Работа двигателя в Режиме запуска и выктючеиия освсшастся в !и разделе книги. Может показаться странньш, что па >становившемся режиме определяются зяачения величин в функции времени, поскольку само понятие кустаповнвшийся» озпвчае1 такой ретин»и параметры ко~срого пс зависят от времени. Репин о»о прг гпворечие — кажушсесн.,Ч»ло в ~озь что н пз Установившем(я режиме работы двигателя каждая вормс>тугая в камер» порция топлива сгорает во времени, т.

е. ее полнота выгорания ва время пребывания в камере изменяется 'от О до 1 Именно об установлении такой и ей потобных временных зависимостей н пойдет далес речь. ;39 — размеры (диаметры) капель горючего и окислителя; — температура капель горючего и окислителя; — составля>ошие скорости капель горючего и окислителя по трем осям координат; число капель горючего и окисчителя в единице объема; -- концентрация продуктов сгорания, окислителя и горючего в газовой фазе. При этом необходимо учесть, что форсунки образуют капли самых различных размеров (от нулевой до максимальнойй) . В настоящее время произвести подобный расчет в полном обьемс и с высокой точностью не представляется возможным ввиду его чрсзвычарипй сложности,,Поэтому, рассматривая этот вопрос, ограничимся лишь изложением основ теории и расчета отдельных эгапов рабочего процесса.

Как для. расчета испарения н горения топлива, так и для расчета тяговых характеристик камеры Ж(>Д необходимо иметь данные о параметрах продуктов сгорания. В связи с этим всем расчетам камер ЖРД обязательно предшествует термодинамический расчет, т. е. расчет равновесного состава и параметров продуктов сгорания. Однако в данной книге этот расчет не излагается, так как он с исчерпывающей полнотой рассмотрен как в отечественной, так и в зарубежной литературе (см., например, (3), (6), [44) и др.). 5 Ь2.

РАСПЫЛИВАНИЕ КОМПОНЕНТОВ ЖИДКОГО ТОПЛИВА И ПЕРЕМЕШИВАНИЕ КАПЕЛЬ Основные типы форсунок ЖРД Первым этапом рабочего процесса в камере ЖРД является дробление (распыливанне) жидких компонентов топлива на капли и механическое перемешивание последних в обьеме, непосредственно примыкающем к головке.

Это осуществляется системой впрыска. Под нею понимается совокупность специальных распыливаюших устройств — — форсунок, определенным образом расположенных на головке. Система впрыска а значительной мере определяет качество рабочего процесса в камере ЖРД. Высокая полнота и устойчивость сгорания топлива, а также надежная защита стенок камеры от прогара достигаются в том случае, если система впрыска обеспечивает: — распыливание жидкостей на капли достаточно малых размеров; — равномерное поле соотношения компонентов в ядре потока и в пристеночном слое; — оптимальное соотношение компонентов в ядре потока, а в прнстеночном слое такие расход и й, при которых достигаются надежное охлаждение камеры и малые потери удельной тяги; — хорошип теплообмен между впрыскиваемыми и сгоревшими порциями топлива; — отсутствие сосредоточенного горения в каком-либо одном сечении камеры "'.

Любая система впрыска состотгт из ограниченного количества форсунок, которые конструктивно могут отличаться друг от други, В настоящее время в ЖРД наибольшее распространение получили два основных типа форсунок: /'~ струйные и центробежные. Одиночная ,/ л, струйная форсунка, изображенная на пг рис. 1.3, представляет собой отверстие в огневом днище головки.

Эта форсунка впрыскивает в камеру компактную ЦР струю жидкости, которая постепенно распадается на относительно крупные капли, летящие в направлении Гсг стРУп в виде РасшириюпГегосЯ п)чка. рн, т з г>днп чная Угол раствора пучка 2а (угол распы- струйная Форсунка ла) невелик (5 — 20'), а дальнобойность струи значительна, что неблагоприятно для макроперемешивания.

Поэтому одиночные струйные форсункн применяются редко. Качество распыливапия и перемешивания жидкостей этими форсунками сущестгенно улучшается при соударении струй илп при направлении их на специальную поверхность — разбрызгиватель. Варианты применения струйных форсунок показаны на рпс. 1.4. При столкновеьпгп струй гор~с>- чего и окислителя одновременно с их распылпванпем происходит и смешение компонентов топлива, Форсунки с соударяющимися струями удобны для впрыска самовоспламеняющихся топлив, для которых мелкость распыливания имеет менее существенное значение, чем для несамовоспламеняющихся. В то же время для первичного химического взаимодействия самовоспламеняющихся топлив очень важна величина поверх>тости(контакта компонентов в жидкой фазе.