Жидкостные ракетные двигатели Добровольский М.В. (1014159), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Таким образом, процесс смесеобразования складывается из подачи компонентов в камеру через форсунки, дробления струй на капли, испарения и перемешивания. Процесс смесеобразования должен обеспечить: 1. Возможно более полное сгорание компонентов в камере. 2.
Возможно более равномерное распределение соотношения компонентов (т. е. а) и расходонапряженности г по сечению камеры (см. $ 5. 1). 3. Возможно меньшую склонность ь возникновению неустойчивого горения. 4. Образование пристеночного слоя, необходимого для защиты стенок камеры от высоких тепловых потоков в стенку. Превращением топлива в продукты сгорания будем называть суммарный процесс, складывающийся из процессов смесеобразования и сгорания топлива. Процессы превращения в зависимости от типа топлива (самовоспламеняющееся или несамовоспламеняющееся) схематично представлены на рис.
3. 1. При самовоспламеняющемся топливе после распыливания компонентов процесс сгорания идет по трем направлениям. Часть топлива испаряется до смешения в жидкой фазе. После этого происходит смешение компонентов в газовой фазе и сгорание их, которое и приводит к образованию продуктов сгорания. Вторая часть топлива перемешивается в жидкой фазе. При контакте капель горючего и окислителя реакция горения начинается непосредственно в жидкой фазе. В связи с резким повышением температуры при горении часть топлива, недостаточно перемешавшаяся в жидкой фазе, испаряется, не успев вступить в реакцию.
Дальнейшее смешение и сгорание этого топлива происходит уже в газовой фазе. бо Одновременно с гомогенным может происходить гетерогенное горение, т. е. горение жидких капель одного из компонентов в газообразных парах другого. Такое горение может иметь место в случае опережения испарения одного из компонентов или при образовании в результате распыления очень крупных капель, которые испаряются медленнее, чем мелкие капли. Реакция горения в жидкой фазе характерна только для самовоспламеняющихся компонентов.
а) аепмлийаиие Спеша репнине аийеей аа еаиее ае а"пепееии Ф Феп Гетероеениее еереиие Рис. 3.1. Схемы протекания процессов превращения При несамовоспламеняющихся компонентах реакция в жидкой фазе ие возникает, и процесс превращения идет по схеме рис. 3. 1, б. После распыливания компонентов происходит смешение их в жидкой фазе. При этом возможно и предварительное смешение (например, в эмульсионной форсунке).
Затем происходит испарение компонентов топлива, дальнейшее их смешение и реакция. Одновременно имеет место также сетерогенное сгорание капель. По протеканию процессов, определяющих процесс превращения, камеру сгорания ЖРД принято разбивать по длине на следующие основные зоны (рис. 3. 2): ! — зона распыливания. 61 11 — зона испарения. П1 — зона смешения и сгорания.
Следует отметить, что деление камеры на указанные зоны несколько условно, так как процессы распыливания, испарения, смешения и сгорания не идут в строгой последовательности, и нельзя сказать, что только после полного распыливания начинается испарение, а после испарения — смешение и г' и" т ну т, д. В каждой зоне частично одновременно протекают два или три процесса. Таким образом, название зоны определяет только наиболее характерный для нее процесс. Разберем протекание процессов в каждой из зон. Распыливание Основными показателями, характеризующими качество распыливания, являются тонкость и однородРис.
З. 2. Схема протекания пронессои и иа- ность РаспыливаниЯ, а так- мере сгорания: же дальнобойность струи и ! — распылиаание; у — испарение; б — смешение и го раенрсдЕЛЕНИЕ РаСХОдпна ренее; е — иннетичесиое горение; б — диффузионное пряженнностн по ее сечению. горение: б — неполнота сгорании Качество распыливания топлива, поступающего в камеру, определяет протекание в камере дальнейших процессов — испарения, смешения и сгорания топлива.
На качество распыливания влияют процессы как в топливоподающей системе и форсунках, так и в камере сгорания. Тип форсунок (струйные или центробежные), конструкция и взаимное расположение их в значительной мере предопределяют процесс распыливания топлива. Распадение струи на капли и дробление капель происходит по выходе струи из форсунок под действием внешних и внутренних сил. К в пешни м силам (иногда их называют а э роди намич ески ми) относятся силы взаимодействия компонента со средой, в которую он впрыскнвается. Величина этих сил зависит от плотности окружающей среды, скорости струи и размеров капель жидкости.
К внешним силам относятся также силы взаимодействия при пересечении струй илн прн встрече струи с твердой стенкой. При увеличении скорости движения струи относительно среды, в которую происходит впрыск, действие внешних сил растет, при этом растет возмущение поверхности струи, что приводит к быстрейшему дроблению струи, а следовательно, и улучшению качества распылнвания.
Однако, распад и дробление струи могут происходить и при отсутствии внешних сил. Так, например, при впрыске компонента в вакуум распыливание происходит под действием внутренних сил. К в н у т р е н н и м силам относятся действие турбулентности н молекулярные силы. В струе компонента, вытекающего из форсункн, возникают турбулентные пульсации скорости; внутри струи моли жидкости совершают беспорядочные движения. Интенсивность турбулентности зависит от перепада давления на форсунке, плотности, вязкости, а также от конструкции форсунки. Увеличение перепада давления (т. е.
увеличение скорости истечения) способствует увеличению интенсивности турбулентности, вследствие чего ускоряется дробление струи, т. е. улучо2 шается качество распыливания. Молекулярные силы — это силы вязкости и поверхностного натяжения, При выходе струи из форсунки внешние силы и турбулентные пульсации скорости внутри струи стремятся раздробить струю (пелену), с другой стороны, силы поверхностного натяжения и силы вязкости препятствуют дроблению. При этом дробление струи и образование капель происходит следующим образом.
: у::.-. с о о оп ср ~~Ъ Су о ооо о оо... о 6 о оо Рис. 3.3. Механизм распндз струи (пелены): а — струйная форсуинз; б — центробежная форсуннв; в, в — зпюры рвспределения рвсходоиепряженности; 1 †стр. 2 †возмущен поверхности и обрвзоввние перемычеи; 3 †дроблен струй (пелены) не части; 4 †пеле При впрыске компонента через форсунку образуется жидкая струя (пелена). Под действием внешних сил и турбулентных пульсаций в струе появляется возмущение на поверхности жидкости. В результате дальнейшего дейцтвия на компонент внешних и внутренних сил образуется пленка жидкости и струя (пелена) распадается на частицы различной величины и формы.
Малые частицы под действием поверхностного натяжения принимают форму шара и образуют капли; крупные— продолжают распадаться дальше (рис. 3. 3). Т о н к о с т ь р а с п ы л н в а н и я характеризуется величиной среднего диаметра образующихся капель. Однородность распыливания характеризуется кривой распределения капель данного диаметра. Тонкость и однородность распылнвания зависят от свойств компонента, конструкции форсунки, а также от параметров работы камеры сгорания, в которую производится впрыск и в первую очередь от плотности продуктов сгорания.
С увеличением плотности среды, в которую прокзводится впрыск, а также с увеличением перепада давления на форсунке тонкость распыливания улучшается. Для ЖРД средний диаметр капли находится в пределах 25 — 250 лек. Интересно отметить, что для 63 дизеля, имеющего значительно больший перепад давления на форсунке, средний диаметр капли меньше и находится в пределах 1Π— 100 мк. Основная причина этого заключается в том, что в дизелях устанавливаются форсунки со значительно большим перепадом давления Лре, чем в ЖРД. Д а л ь н о б о й н о с т ь струи (или глубина проникновения) определяется скоростью выхода струи из форсунки (т.
е. перепадом давления на форсунке), направлением и углом распыливания, а также плотностью среды, в которой происходит распыливание компонентов. Увеличение дальнобойности нежелательно, так как увеличивает размеры зоны распыливания, а следовательно, и размеры камеры сгорания. Распределение р а с х о д о н а п р я ж е н н о с т и компонента по поперечному сечению струи определяется в первую очередь типом форсунки.
Типичные эпюры распределения расходонапряженности для струйной и центробежной форсунки показаны на рис. 3. 3, в, г. Для струйной форсунки типичным является пик расходонапряженности у оси форсунки. Для сечения струи центробежной форсунки характерно наличие двух пиков на некотором расстоянии от осн. По мере удаления струи от сопла форсунки происходит некоторое сглаживание пиков (пунктирная линия на рис. 3. 3, в).
Обычно принимается, что расходонапряженность по окружности струи постоянна, хотя в действительности расходонапряженность неравномерна. Испарение Процесс испарения является важным этапом подготовки топлива к воспламенению и сгоранию, так как основное количество топлива в камере ЖРД воспламеняется и сгорает в газовой фазе. От скорости протекания процесса испарения сильно зависит и полное время, идущее на образование продуктов сгорания. Сложность процесса испарения в камере ЖРД усугубляется тем, что здесь происходит одновременное испарение не одного компонента, а сложной смеси компонентов с различными физико-химическими свойствами. При этом процесс испарения должен закончиться за очень малый промежуток времени порядка 0,002 †,008 сек 166].
Тепло, необходимое для испарения капель в камере ЖРД, подводится из зоны горения в первую очередь путем конвекгивной теплоотдачи от обратных токов горячих газов. Обратные токи возникают в результате эжектирующего действия струи впрыскиваемого гоплива. Струя компонента увлекает за собой газы, находящиеся в полостях между струями. В образующиеся при этом зоны разрежения поступают новые порции горячих продуктов сгорания (рис.
3. 4). Часть тепла к каплям подводится радиацией от ядра пламени. Кроме того, подвод тепла происходит также за счет горения, начинающегося в зоне испарения. Скорость нагрева и испарения капель, а следовательно, и длина зоны испарения зависят от температуры окружающей среды, размера капель, относительной (к потоку газов) скорости движения капель, а также из физико-химических свойств вещества капли. Повышение температуры среды ускоряет процесс испарения; повышение давления, наоборот, несколько замедляет его.
Уменьшение размера капли н увеличение относительной скорости движения капли приводит к ускорению испарения. Для иллюстрации влияния размера относительной скорости и свойств жидкости рассмотрим графики (рис. 3. 5, 3. 6, 3. 7). На рис. 3. 5 приведены графики изменения по длине камеры сгорания температуры капель гептана различного размера. Мы видим, что с увеличением размера капель длина участка прогрева капли до температуры кипения б4 растет. Таким образом, для уменьшения зоны испарения желательно иметь более мелкий распыл. На рис. 3. б показано изменение скорости движения капли сгп и газа щ„по длине камеры сгорания. Скорость капли в, вначале замедляется, так как происходит торможение капли в среде газа, имеющего меньшую скорость ш,, По мере испарения капли скорость ы, растет и при 1.и)25 мм превышает скорость движения капли.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
