Жидкостные ракетные двигатели Добровольский М.В. (1014159), страница 13
Текст из файла (страница 13)
На рис. 3. 8, б дана кривая превращения, показывающая изменение удельного объема по времени, Время т„р, прошедшее с момента посгупления топлива в камеру сгорания до завершения процесса превращения, называется в р е и е н е м п р е в р а щ е н и я. Очевидно, что объем камеры сгорания должен быть таким, чтобы время пребывания поступивших компонентов равнялось времени превращения. При меньшем объеме ухудшится полнота сгорания, увеличение же объема нецелесообразно, так как приведет к увеличению габаритов и веса камеры без существенного улучшения полноты сгорания.
68 В р е м я и р е б ы в а н и я в камере топлива и продуктов сгорания т= — — ' (3. 1) где )У, †объ камеры сгорания; 6 — расход топлива; о,р †средн удельный объем топлива и продуктов сгорания. Если время превращения равно времени пребывания, величину среднего удельного объема можно определить как среднее за время пребывания, т. е. ) рлт ~с ср (3.
2) Так как величину оср сразу определить трудно, то для оценки времени пребывания обычно используют некоторое у с л о в н о е в р е м я п р е б ы в а н и я, отнесенное к удельному объему продуктов полного сгорания о, (при данном соотношении компонентов); Мс г усл сс2 (3. 3) Для упрощения анализа часто кривую превращения условно заменяют ломаной аЬсЫ (рис. 3. 8, б), т. е. принимают, что процесс превращения происходит мгновенно в момент тз.
Место положения вертикальной линии мгновенного превращения Ьс определяется из условия равенства площади под кривой превращения 7 — 2 и площади под участком сс(. При этом время превращения разбивается на два слагаемых: ""--' +" (3. 4) где тз время задержки превращения. Время тз согласно условию построения ломаной аЬсд определяется из уравнения Осл г: юзт2 (3. 5) откуда по формуле (3. 2), считая т=т,р, Оср т„== тс„.
Ос (3 6) Сопоставляя выражения (3. 6), (3. !) и (3. 3), получим ту= г,,„. Подставляя т=т,р и ту=-ту,л в выражение (3. 4), получаем т=-тл+т „.„ (3. 7) т. е. время пребывания в камере сгорания можно представить как сумму времени задержки превращения и условного времени пребывания. Время задержки превращения тз зависит от рода топлива, конструктивных параметров смесительных устройств и от параметров работы камеры сгорания. При работе камеры ЖРД на установившемся режиме время задержки превращения определяется в первую очередь температурой в камере сгорания, а также условиями распыливания и теплоподвода к впрыскиваемому топливу. Величина условного времени пребывания ту,„в полтора-два раза меньше действительного.
Для камер ЖРД величина т,„находится в пределах 0,00!5 — 0,005 сек. Условное время пребывания (или просто в р е м я п р е б ы в а н и я) является важным параметром камеры сгорания и используется для определения ее объема (см. $ 5. 2). Процесс превращения в камере сгорания ЖРД характеризуется интенсивным тепловыделением. Теплонапряженность объема камеры сгорания ЖРД в 100 раз выше теплонапряженности топки парового котла и в !О раз выше теплонапряжеиности камеры ВРД. В результате, в камере сгорания ЖРД имеет место интенсивный геплоподвод к поступающему топливу, что приводит к значительному сокращению времени испарения н всего времени смесеобразованпя и обеспечивает быстрое испарение даже сравнительно крупных капель топлива.
В связи с этим тонкость распыливания в ЖРД имеет меньшее влияние на полноту превращения, чем в обычных тепловых машинах. Это позволяет производить распыливанне топлива при сравнительно небольших перепадах давления на форсунках 3 — !5 кГ)смс (0,29 — 1,47 Мн/х>') против 50 — 100 кГ)смз (4,95 — 9,81 Мн(м') в ВРД и 200 — 1000 кГ(сл' (19,62 — 98,1 Мн(м') в дизелях.
Уменьшение перепада давления на форсунках до 3 — 15 кГ(см' (0,29 — 1,47 Мн7м') позволяет уменьшить мощность, а следовательно, и вес системы подачи. 3. 2. СТРУЙНЫЕ ФОРСУНКИ Подача топлива в камеру сгорания осуществляется с помощью форсунок. Основное требование к форсункам обеспечить по возмо>кностн более тонкий и однородный распыл топлива при достаточно малом перепаде давлений на форсунке.
Обычно в ЖРД выделяют два основных вида форсунок: с т р у йные и центробежные. Имеются также случаи применения щелевых форсунок, которые можно рассматривать как разновидность струйных форсунок, имеющих не круглую, а щелевидную форму выходного отверстия. Возможны форсунки, сочетающие в себе оба вида форсунок. 7 Рнс. 3.
9. Струйные форсункн. / — еверленвв длн подвода компонентов > — концентрнвные «олвцевые «ана.аы Струйная форсунка представляет собой отверстие в головке камеры двигателя, сообщающее полость горючего или окислителя с камерой сгорания. Схематически различные виды струйных форсунок показаны на рис. 3. 9. Основными достоинствами струйных форсунок являются, во-первых, простота выполнения и, во-вторых, большая пропускная способность головки со струйными форсунками. Пропускной способностью головки будем называть количество топлива, подаваемое через единицу поверхности днища го.
ловки при заданном перепаде давления. Струйная форсунка занимает меньше места, чем центробежная. Это позволяет разместить на единице поверхности головки большее число струйных форсунок. Кроме того, коэффициент расхода струйных 70 форсунок в 2,5 — 3 раза больше коэффициента расхода центробежных форсунок. В результате при одном и том же перепаде давления струйные форсунки позволяют обеспечить больший расход через единицу поверхности днища головки, т.
е, имеют большую пропускную способность. Однако крупным недостатком струй|ных форсунок является их относительно большая дальнобойность и малый угол распыливания (10— 20'); тонкость распыливания струйных форсунок меньше, чем центробежных. Кроме того, из-за каналов для подвода компонента к струйным форсункам головка часто получается относительно тяжелой (рис. 3. 9, б, в, г).
Больший угол распыливания н лучшее дробление капель можно получить, если форсунки расположить так, чтобы их струи пересекались (форсу нки с пер есекающимися струя ми, см. рис. 3.!2). Прн этом в результате соударения компонентов происходит дробление капель, и угол распыливания увеличивается до 60 †: 100', но пропускная способность таких форсунок несколько уменьшается. Блок форсунок с пересекающимися струями может состоять из двух, трех и даже четырех струйных форсунок, На рис. 3,24, 3.26 и 3. 27 показаны схемы и фото графин различных головок со струйными форсунками. Расчет струйных форсунок Струйные форсунки рассчитываются на основе следующих соображений.
Как известно, теоретическая скорость выхода несжимаемой жидкости нз отверстия / арф та= ~/ 2д —, (3. 8) где Ьр =(рф — р) — перепад давления, у — плотность жидкости, Расход жидкости через форсунку определяется по уравнению расхода Оф=! шЛЪ (3. 9) где ),— площадь поперечного сечения отверстия в мхг !х — коэффициент расхода, учитывающий сужение струи и уменьшение действительной скорости течения по сравнению с теоретической. Подставляя в уравнение (3. 9) значение хв из равенства (3.
8), получим (3. 10) Оф = !худ У 2К прфу откуда У.=„," (3. 11) г' 2длрфт Расход компонента через одну форсунку бф можно определить, хная полный расход компонента н число форсунок п. Если предположить, что расход через все форсунки одинаков, то Оф= (3. 12) Однако практически редко бывает так, чтобы все форсунки компонентов имели одинаковый расход, Обычно имеется несколько групп форсунок одного компонента с разным расходом, а иногда и разной конструкции. Плотность компонента известна. Перепадом давления на форсунхе Арф обычно задаются в пределах 3 — !5 к77см' (0,29 — 4,7 Мн(м'); 71 создавать большой перепад давления невыгодно, так как это требует соответственно и большего давления подачи.
Уменьшение Л рэ ниже 3 кГ/сас' нерационально, так как при этом сильно ухудшается распыливание и смесеобразование, а также возрастает возможность возникновения низкочастотных колебаний. дейстйительнее истечение Рис. 3 1О. Истечение компонента иа струйной форсунки Коэффициентом расхода м задаются в соответствии с размерамп сверления струйной форсунки. При 1с/с(с=0,5-:-1 расход уменьшается за счет сужения струи. В этом случае (рис. 3. 10, а) 1а=0,60-:-0,65.
При 1с/с(,=2 —:3 также происходит сужение струи, но давление в узком сечении 1 — 1 (рис. 3. 10, б) вследствие разрежения меньше, чем в первом случае, поэтому и скорость по узкому сечению выше. Таким образом расход жидкости возрастает, несмотря на сужение струи. Поэтому при 1,/с(с=2 —;3 значение коэффициента расхода выше и составляет 1ь=0,75 —:0,85. Применять фор1,0 т1' С,б 2 3 4 Ю 6 7 8 Ьрф кГ/сма Рнс.
3. 11, Зависимость р от ори и геометрии форсунки сунки с большим отношением 1,/с(с нецелесообразно, так как при этом будут возрастать потери на трение. Кроме отношения 1с/с(„на коэффициент расхода 1ь влияет, хотя и в меньшей степени, еше ряд факторов: а) геометрия форсунок; фаски или скругления входных кромок увеличивают значение 1ь; б) перепад давления на форсунке Л рта; с ростом /зри может произойти отрыв потока от стенок сопла форсунки, что при данной геометрии приведет к ухудшению р. На рис. 3.11 приведен пример зависимо- то сти 9 от Л рэ при различной геометрии форсунки, откуда видно, что при очень маленькой фаске или отсутствии ее в области Арф=2 — 3 кГ7с>к' (0,19 — 0,29 Мн/м') р резко падает вследствие отрыва потока от стенок из-за плохих условий входа. Увеличение глубины фаски е позволяет избежать отрыва в большем диапазоне Л рф, в) температура компонента.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
