Жидкостные ракетные двигатели Волков Е.Б. Головков Л.Г. Сырицын Т.А. (1014157), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Хорошо зарекомендовал себя также грехструйный элемент смесеобразова- А-з С-,О пнп (рпс. 1.4, г) с симметричным расположспнем струйй окислителя. Он обеспечивает хо- се ° и ооразует пучок мелксгх капель, движущихся параллельно осн камеры. С !ха к уже отме салосак ну юк капель л1обо- ~~~ 1, ',,У х го струйного элемен- „ та смесеобразовапня в ...," л ' поперечном сечении : ', ' уу~ ', имеет резко выраженную неравномерность в расходонапряжеиностн с максимумом на оси пучка. Поле соотношения между компонентами также неравномерно, но в меньшей степени, причем эта степень существенно зависит от точности соударения струй. В заключение отметим, что головки со струйными элементами смесеобразования, несмотря на их кажущуюся простоху, весьма сложны в изготовлении. Это объясняется двумя причинами.
Во-первь1х, таких элементов требуется оченьмпого (несколько сотен или даже тысяч на одну головку), иначе полнота сгорания топлива будет плохой. Во-вторых, расположение отверстий и углы наклона их осей должны быть выдержаны с большой точностью. В противном случае струи не будут пересекаться и качество распыла и макроперсмешивання резко ухудшится. Прежде чем перейти к изучению работы элсментов смесеобразовапия, состоящих из центробежных форсунок, рассмотрим взаимодействие конусов распыла двух соседних форсунок (рне. 1.1б).
Это взаимодейсгвие зависит в основном от рзссхояпия между форс)ч1кза1с1 У(, перепада,:!явления па ш1х Л(лр н вели чипы секУпдного количества движениа жид- ав кости в конусах распила — и. Прн небольшом расстоянии между форсупкамя и малых Лрф происходит соударенис не- раздробившихся пелен, в результате чего образуется результирующая пелена, направленная в плоскости АВ по равнодействующей векторов количества движения конусов распыла. Эта пелена всегда отклоняется в сторону конуса распыла с меньшим количеством движения, В плоскости СП линией пересечения конусов является гипербола, по ветвям которой и разлетается основная масса жидкости в виде жгутов капель. Чем больше Лрв и расстояние между форсунками, тем Рис.
1.16. Сяекгы распопов ения форствок на головке: а — ывя ытнвя; 6 — сетевая, в — кннаснсяняескня меньше интенсивность этих жгутов благодаря большей раздробленности пелен на капли и оольшей взаимопроницаемости конусов распыла. Образование жгутов является определяющим прн взаимодействии форсунок, входящих в элемент смесеобразования. Состав этих элементов обусловлен схемой расположения форсунок на головке. В настоящее время наиболее распространенными схемами расположения однокомпонентных форсунок являются шахматная, сотовая н концентрическая.
Прп шахматном и концентрическом расположении форсунок (рис. 1.1б,п, в) элементом смесеобразоваппя является выделепная рамкой группа из четырех соседних форсунок, состоящая из двух форсунок горючего и двух форсунок окислителя. Прн сотовом расположении форсунок (рис. 1.1б,б) первичным элементом смесеобразовання является группа нз трех форсунок (обычно одна форсунка горючего и две форсункн окислителя), а основным — семифорсуночный элемент (сота), центрированный, как правило, форсункой горючего". Элемент смесеобразовання шахматной головки (рис. 1.17,а) посылает в камеру пучок капель, образующийся в центре элемента при пересечении четырех жгутов. Первичный эле- с При испольаоваюги соврененных топлив расход окислителя обычно больше расхода горю гего.
огВ мент смесеобразовання сотовой головки 1рис. 1.)7, б) нз трех жгутов формирует в центре треугольника первичный пучок капель, а основной элемент этой головки — сота из шести первичных пучков образует окончатсльнып пучок с центром, совпадающцм приблизительно с центров» соты. Слияние первичных пучков н центре соты происходит потому, по нх осн отклоняются в сторону центрирующей соту форсункн горючего благодаря большему количеству движения конусов распыла окислителя. В дальнейшем как прн шахматном, так и при сотовом расположении форсунок происходит соудареппе и взапмо- нка Г ~ Пуках О трбрсунка 0 Рис.
1.17. Элементы сттесеобрааовании головок> а — с жакматным а конпентрнческим расположением срор- сунок; б — с сотовым расположением Сторстнок проникновение пучков капель, сформированных элементами смесеобразования. Однако это вторичное взаимодействие имеет место у>не при малой плотности капель (вследствие рассеивания пучков и частичного испарения капель), поэтому соударення капель здесь редки, и макроперсмешпвание полностью начинает определяться только взаимопроникновением пучков.
В поперечном сечении пучки капель, сформированные центробежными элементами смесеобразования, также имеют неравномерное распределение расходонапряженности с максимумом на оси пучка. С увеличением перепада давления на форсунках эта неравномерность сглаживается вследствие большей проницаемости конусов распыла (пучки становятся более размытыми), Неравномерность в распределении соотношения компонентон топлива в поперечном сече1цтн каждого отдельного пучка выражена менее ярко благодаря внедрепию одного компонента в среду другого. Однако от пучка к пучку эта неравномерность может быть очень существенной вследствие разброса параметров форсунок. Большое значение для качества макросмешения в масштабе всей головки 59 имеет однотипность конструкции и близость параметров форсунок.
Если в головке имеются форсунки с различнымп углами конусов распыла и различными количествами движения струй, то неизбежна сильная неравномерность полей расходонапряженности и Й по сечению камеры, что отрицательно сказывается на протекании рабочего процесса в ней. Приближенный расчет макроперемешивания 1 2 4 г1ф. ок бф. ок оф. г ггф. г (1.23) а при сотовом 1 б З Ггф. ак 26ф.ок 1 аф „аф,„' Ряд яажпейших характеристик двигателя (полнота сгорания топлива, удельная тяга, величина теплового потока к стенкам камеры н др.) в значительной степени определяется начальным (у головки) распределением компонентов топлива в поперечном сечении камеры.
Рен1енпе задачи о создании у головки определенного поля расходопапряженпости и соотношения компонентов Й не является однозначным. Одно и то же поле Й можно получить, используя различные типы форсунок и схемы пх расположения на головке. Обратная же задача — расчет полей расходонапряжецности и !г, создаваемых головкой, конструкция и режим работы которой известны, имеет единственное рсшенис. Так как при проектировании камеры прямая задача решается методом подбора (методом многократных попыток), то совершенно очевидна необходимость в простом приближенном методе расчета макроперемешивання. Основная цель такого расчета — определить поля расходонапряженности и А вблизи головки по схеме расположения форсунок на ией, г(о расчета макроперсмешнвания в масштабе всей головки следует оценить макроперемешивание в масштабе одного элемента смесеобразования.
Внешние форсунки каждого элемента являются общими для соседних элементов. Если распределение капель по окружности (по углу) в конусах распыла равномерно, можно определить дол1о расхода, которой каждая форсунка участвует в образовании топливной смеси в составе данного элемента. На рис. !.!7 эта доля указана штриховкой. Зпапне этих величии позволяет найти среднее местное соотношение компонентов топлива, создаваемое элементом смесеобразовапия. Так, при шахматном и концентрическом расположении форсунок я я "ок" ф. ок 'Гг"спс агбар, г ггокггг (1.25) псо ггг пс.
г пс Пг"ок пс ' ггокпг (1.26) Оя Пгггф, г пок~Ф. ок пг и ак ~ + «ср я «ср "ок + 1 + «кр Ггок (1.27) б1 где бв,п и бег — секундные расходы окислителя п горючего через одну форсушгу. Поскольку наиболее важное значение для рабочего процесса в камере имеет распределение компонентов топлива в ядре потока и пристеночном слое, в первую очередь макроперемешивание оценивается именно в этих областях поперечного сечения камеры.
Приближенный расчет расходонапряженносгн и «в ядре потока и пристеиочном слое проводится следующим образом. Па крупномасштабном чертеже головки обозначаются сопла форсунок и выделяются те пз пих, которые формируют ядро потока и пристепочаый слой. Критерием для отнесения форсунок к той или иной категории служит направление пучка капель, создаваемого элементом гмссеобразования, в состав которого входят данные форсупкп. Направление пучка оценивается сопоставлением количества движения взаимодействующих конусов распыла. Обычно граничной линией, отделяющей форсунки ядра от форсунок присткночного слоя, служит ломаная, проходящая через центры крайнего ряда форсунок окислителя. Далее подсчитывается количество форсунок каждого компонента топлива, формирующих ядро потока Н пристеночный слой (и", л"„, ля„о л"„').
Прн этом учитывается, что одна,и та же форсунка мо-' жет участвовать в формировании как ядра, так и пристеночного слоя (соответствующая часть форсупки определяется долей площади сопла, отрезаемой на чертеже граничной линией). Вследствие этого числа л,", ггбс и т. д. могут быть как целыми, так и дробными. Расходонггпряженпость и соотношение компонентов А в каждой из этих областей сечения камеры, взятой в отдельности, полагаются одинаковыми по всей площади области. При этих предположениях и одинаковой производительности всех форсунок одного компонента относительные расходы (тп и тп,) и соотношения компонентов («и и «„) в ядре потока и пристеночпом слое могут быть вычислены по следующим зависимостям: пс 6 и 1 + сор ггг 6» пс Гссп 'го,с + 1+ Гсср гиок (1.28) пс пс пс Опс пг бр.
г пакб,р. ак 1 г + где Оф,„нбф,— расход через одну форсунку окислителя и го(ночего соответственно; 0« — расход топлива через головку; = — — среднее соотношение ме;кду компопептамп Гиок сп О топлива. 1»асходоиаирягкегшость в ядре потока и приск оно'шом слое вычисляется при агом как отношение расходов 6„п 6п, к плошади соогветствующих областсп поперечного сечения камеры: В„к'и Гик 6„„=У и и 6„, пгпсос 6 и ~ гк ~по Если применять форсуики с различной производительностью, то общая схема расчета остается прежней, но формулы (1.25) — (1.28) соответственно усложнятся. В заключение сделаем два замечания.
1. Указанный метод позволяет лишь качественно охарактеризовать работу головки и серией приближенных расчетоа наметить рациональную схему расположения форсунок. Дальнейшее исследование полеи 6л и гг, создаваемых головкой, проводится более точными, но и более трудоемкими методами и часто завершается «холодными» пролпвками на специаль. ных установкам 2. Изложенная картина макроперемешивания базировалась в основном на результатах «холодных» проливок прн атмосферном давлении.
Процесс в камере накладывает на эту схему определенные изменения, так как в условиях камеры улучшается тонкость распыливапия и увеличивается сопротивление среды движению капель (из-за увеличения плотности среды), уменьшаются силы, стабилизирующие струю (из-за уменьшения поверхностного натяжении, которое зависит от температуры), и движение капель происходит одновременно с их испарением. Все это приводит к измененшо характера взаимодействия между конусами распыла и изменению траекторий капель, Поэтому хорошего совпадения расчетов макроперемешивания с опытом можно ожидать лишь на небольших расстояниях от головки. 62 й ПЗ.
ИСПАРГПИЕ И ГОРЕНИЕ ТОПЛИВА В КАМЕРЕ ЖРД В пастоягцсс время ~ет надежного инженерного метола расчета испарения и горения топлива в >1(РД. Излагаемый ниже материал — олин из возможных путеи полхола к приближенному решеншо этой сложной проблемы. Он базируется на рассмотренной выше физической картине рабочего процесса в камере, но в отличие от лругих работ опирается па метолы математической статистики, с помощью которых изучается изменение во времени (ч по ллине камеры сгорания) распрел лснпя капель по оазмерам Поэтому вначале выясним закономерности испарения (горения) олпночной капли в условиях камеры ЖРД, затем повеление спектра капель каждого компонента топлива и, наконеп, изменение полноты выгорания топлива во времени и по длине камеры сгорания.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
