Жидкостные ракетные двигатели Добровольский М.В. (1014159), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Теперь уже поток газа увлекает за собой каплю, что приводит к увеличению ее скорости. При этом относительная скорость капли (и,— пг,) вначале растет. Однако по мере испарения капли, в связи с уменьшением размера капли и уменьшением вследствие этого влияния сил инерции на скорость ю„, относительная скорость г к за афгалглсге лгаки гхя гу ХО вр гад См Рис. 3. 4. Возникновение об- ратных токов Рис. 3.3. Изменение температуры гептановых капель различного размера по длине камеры сгорания (ПÄ— Ши) СНОВа УМЕНЬШаЕтСЯ. КОЛИЧЕСТВО ИСПаРИВШЕйСЯ ЖИДКОСТИ Пггсп сначгла растет медленно, но в области высоких относительных скоростей (ю,— пги) происходит сильный рост д„„.
Влияние физических свойств на изменение температуры капли Тп показано на рис. 3. 7, а и на скорость испарения — на рис. 3.?, б. Мы вадим, что капли низкокипящих компонентов Оз и Гз достигают темпергтуры кипения значительно быстрее, чем капли других компонентов. Соответственно с этим для испарения низкокипящих компонентов необходим меньший участок длины камеры сгорания. Сопоставление графиков 1 и 3 рис.
3. 7, б показывает также, что скорость испарения зависит не только от температуры кипения, но и от теплоты фазового превращения жидкости в пар. При заданном давлении /ге=21 кГ/слгз (=2,1 Мн/м') температура кипения гептана (кривая !) выше, чем температура кипения аммиака (кривая 3). Однако теплота испарения гептана (52 ккал/кг) (217 кжд/кг) значительно ниже теплоты испарения аммиака (269 ккал/кг) (1125 кдж/кг) и вследствие этого полное испарение гептаяа происходит быстрее, несмотря на более высокую температуру кипения.
Мы рассмотрели влияние различных факторов на испарение отдельной капли. В процессе испарения в камере сгорания ЖРД, как указывалось, имеет место одновременное испарение многокомпонентной смеси капель разных размеров. При этом процесс испарения существенно осложняется по сравнению с процессом испарения единичных капель.
Неравномерность распыливания приводит в начале испарения к образованию большого количества паров за счет быстрого испарения мелких капель. Однако дальнейшее испарение оставшихся более крупных капель затягивается и в целом период испарения смеси капель различного 63 3 зОВ размера больше, чем период испарения капли среднего размера. Чем больше неравномерность распыливания, тем больше увеличивается пе- риод испарения смеси капель. Кйеа% !00 тия Вд ю/сев. бп бп 500 40 гп п х5т г,р бП гб гПП ггб т тамб гк Рис. 3.6.
Изменение параметров испаряющейся капли гептана и ско- рости движения газа по длине камеры Х'исп % тк 400 вп бп гпп гп 50 и 50 гп дп 40 дп аг ьк СМ пгб об бптб гб б и гб гб бп д) ьк см Рис. 3.7. Изменение Ти и Пкги капель различных компо- нентов. ! — геитии С Нви 2 — гидривии Явно 5 †амми Хии 5 — кииварад Ои 5 — вечор н, Кроме неравномерности распыливания и наличия многокомпонентных капель жидкости, на скорость протекания процесса испарения топлива при применении самовоспламеняющихся топлив влияет также наличие реакций в жидкой фазе, возникающих в зоне испарения.
Выделяющееся при этом тепло может значительно ускорить процесс испарения. При испарении капель многокомпонентных жидкостей, что часто имеет место в ЖРД, по мере испарения в капле повышается концентрация более высококипящего компонента, что опять-таки может привести к затягиванию процесса испарения, Смешение и сгорание В результате распыливания и испарения образуются пары горючего и окислителя, из которых и получается горючая смесь. Смешение горючего и окислителя происходит как в жидкой, так и в паровой фазе.
Наиболее желательный, но и очень трудно реализуемый в ЖРД способ смешения — образование однокомпонентного топлива или эмульсии путем полного предварительного смешения компонентов в жидкой фазе еще до поступления их в камеру сгорания. Для ЖРД характерным является смешение компонентов в самой камере сгорания. Интенсивность смешения компонентов определяется турбулентной диффузией. Процесс смешения топливных компонентов в камере ЖРД начинается непосредственно с момента поступления их в камеру сгорания и заканчивается только по мере сгорания топлива.
В зонах распыливания и испарения происходит смешение части компонентов как в жидкой, так и в газовой фазе. За счет протекания реакций сгорания непосредственно в жидкой фазе (при самовоспламеняющихся компонентах), а также за счет интенсивного подвода тепла от фронта пламени (что также приводит к возникновению первых очагов горения газовой фазы еще в зоне испарения) процесс смешения в этих зонах значительно интенсифицируется, Однако вследствие неравномерности распыливания и различной скорости испарения компонентов процесс смешения не заканчивается в этих зонах, а продолжается и дальше в зоне смешения и сгорания. Следовательно, часть топлива поступает в эту зону после испарения и смешения, т.
е. в виде полностью подготовленной к сгоранию рабочей смеси, в которой уже частично началась реакция сгорания. Прн сгорании этой части топлива и начинается образование фронта пламени. Остальное топливо (ббльшая часть) поступает в зону смешения и сгорания в основном в испаренном, но еще недостаточно перемешанном для сгорания виде (возможно даже поступление отдельных жидких капель компонентов). Происходит дальнейшее смешение этой части гоплива. За счет большой разности температур пламени и поступающих компонентов интенсивность смешения в этой зоне очень велика.
Одновременно в зоне смешения и сгорания происходит сгорание уже перемешанного топлива. Вследствие такого «параллельного» протекания процессов смешения и сгорания фронт пламени в камере сгорания ЖРД не является какой-то четко очерченной поверхностью, отделяющей подготовленную горючую смесь от продуктов сгорания. Ширина фронта пламени определяется тонкостью и однородностью распыливания, истаряемостью компонентов топлива и интенсивностью турбулентной диффузии, определяющей, в свою очередь, скорость протекания процессов смешения.
Процесс горения распыленного топлива может быть схематически разделен на два: смешение компонентов и химическая реакция. Скорость протекания реакции определяется температурой и энергией активации. При низких температурах скорость химической реакции относительно невелика и меньше скорости смешения компонентов. Скорость протекания процесса горения в целом прн этом определяется скоростью химических реакций. Такое горение, прн котором скорость процесса лнмитируется скоростью химической реакции, называется ки н етяческим горением. В камере сгорания ЖРД кинетическое горение может иметь место только в самом начале зоны смешения и сгорания, где температура еще сравнительно невелика. Ограничим эту область зоны смешения и сгорания сечением и — т (см.
рис, 3. 2) и назовем ее областью кинетического горения. За сечением оз — т развивается высокая температура. Здесь уже химические реакции протекают практически мгновенно. При 67 этом скорость процесса горения определяется скоростью смешения. ( Такое горение, при котором скорость процесса лимитируется скоростью процесса смешения, называется д и ф ф у з и о н н ы м г о р е н и е м. Поэтому область за сечением т — т будем называть областью диффузионного горения. В камере сгорания ЖРД область кинетического горения очень невелика и решающую роль играет диффузионное горение. Поэтому часто принимается, что в целом в камере ЖРД имеет место диффузионное горение. На рис.
3. 2 график изменения количества сгоревшего топлива по длине камеры сгорания не доходит до значения 6;/6в =!. Очевидно, что величина 6;/6в определяет собой степень физической полноты сгорания. Соответственно разность ! — (6а/6 ') характеризует неполноту сгорания, Для ЖРД коэффициент полноты сгорания ср,„=0,95 — 0,99. Кривая превращения и ередея пребывания Степень полноты превращения топлива в продукты егора,пя принято оценивать изменением коэффициента полноты сгорания по длине камеры сгорания или по времени, прошедшему с момента поступления компонентов в камеру.
Кривая. характеризующая изменени~ коэффициента полноты сгорания по длине камеры или по времени, называется кривой превращения (кривой выгорания) топлива. Иног- Ли а) Рис. 3 8. Кривые превращения а — на длине камеры; и — но внеменн да кривую превращения строят в виде изменения температуры или удельного объема смеси компонентов (топлива или продуктов сгорания) по длине камеры или во времени. Пример кривой превращения показан на рис. 3. 8, а, где приведена типичная качественная зависимость изменения удельного объема по длине камеры сгорания. Удельный объем о, соответствует расчетному удельному объему при полном сгорании. Кривая превращения не доходит до пь что является следствием неполноты сгорания. В пределах допущенной неполноты сгорания точка 2 соответствует завершению процесса превращения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
