Жидкостные ракетные двигатели Добровольский М.В. (1014159), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Одним нз основных факторов, обусловливающих перемешивание компонентов, является взаимное расположение форсунок окислителя и горючего. После выхода окислителя и горючего из форсунки происходит соударение капель компонентов и слияние их, а также частичное взаимное проникновение факелов распыливания, способствующее перемешиванию компонентов вблизи головки. Наиболее полное перемешивание имеет место при применении форсунок с пересекающимися струями, однако и при параллельных осях форсунок в результате встречи конусов распыливания на некотором расстоянии от головки также имеет место перемешивание и слияние капель.
Рассмотрим, для примера, как происходит перемешивание капель компонентов, подаваемых центробежными форсункамн. Предположим, что форсунки горючего и окислителя чередуются, как показано на рис. 3. 30. При пересечении конусов распыливания компонентов в точке А часть компонентов сливается в один пучок, а часть взаимопроникает через конус распылнвания и продолжает двигаться в прежнем направлении.
Степень «проницаемости» компонентов зависит от расстояния между форсунками. С увеличением расстояния между форсунками степень проницаемости увеличивается. Однако при малых расстояниях можно считать факелы непроницаемыми. Поэтому полагаем, что при первом пересечении конусов распыла в точке А происходит 98 слияние компонентов О и Г в один пучок АВ с очень незначительным проникновением, приводящим только к некоторому расширению пучка. Направление пучка АВ определяется количествами движения окислителя и горючего. Если количество движения окислителя больше, то пучок отклоняется в сторону форсунки Г, и в точке В происходит вторичное пересечение уже пучков компонентов.
При этом образуется факел смеси компонентов, ограниченный лучами ВС (рис. 3. 30, а). При равенстве количеств движения компонентов направление пучка после пересечения в точке А остается осевым (рис. 3. 30, б). Таким образом, в результате перемешивания струй компонентов, вытекающих из центробежных форсунок, происходит слияние и частичное взаимное проникновение капель. При этом в зависимости от коли- О Г 0 Г 0 Г О О Г О Г О -/ /— / / а) /"/"т С////~С «в ///г М //~ 0 С//' 'гС Рнс. 3. 30.
Схемы перемешивая/гя капель компонентов; а — количества лвюкеиия окислителя больше, чеи горючего; б — количестве лви~кеивя окислителя и горючего равны чества движения компонентов струи пересекаются в одном (точка А) нли двух сечениях камеры сгорания (точки А и В). И в том и в другом случае по поперечному сечению камеры «сфера взаимного влияния струй» прн перемешивании капель в основном ограничивается шагом между форсунками, и на больших расстояниях от оси форсунки влияние данной форсунки на перемешиванне невелико.
Следовательно, если расположение форсунок на головке с самого начала не обеспечивает равномерного по сечению камеры соотношения компонентов, то перемешивание капель эту неравномерность будет сглаживать в основном только в пределах шага между форсунками. Вторым фактором, способствующим перемешиванию компонентов, является турбулентность, возникающая при испарении капель. При этом на интенсивность турбулентности влияет: а) разность скоростей капель и газа; б) отток газов, образующихся при испарении капли, нормально к ее поверхности; в) неравномерность расходонапряженности по сечению камеры; г) разность скоростей испарения капель компонентов.
Рассмотрим влияние каждой из этих причин на перемешивание. Как отмечалось выше, непосредственно у головки начинается испарение капель за счет обратных токов и радиации (см. рис. 3.4). Пока газа, образующегося в результате испарения, еще мало, скорость капли и„ больше скорости газа и/,.
По мере испарения капель скорость газа растет и в каком-то сечении камеры скорости выравниваются, т. е. шг=п/„ (точка М на рис. З.б). Количество испарившихся компонентов при этом достигает 10 — Збо/р от общего количества. При дальнейшем движении капель и газа скорость капли отстает от скорости газа, соответственно и скорость газа, находящегося непосредственно около капли (или газа около образовавшихся пучков капель), также отстает от скорости основного потока газа ш,.
Разность скоростей способствует турбулентному перемешиванию газа, окружающего каплю (или пучок), с основным потоком газа. Наличие нормального к капле потока газа, образующегося вследствие испарения капли, также способствует турбулентному перемешиванию газа с основным потоком.
Перемешивание газа в результате указанных причин происходит в основном на расстояниях порядка шага между форсунками Н. Влияние этого перемешивания мы можем учесть, приняв соответствующий закон распределения компонентов вокруг оси форсунки. При перемешнвании газа в силу неравномерности распределения расходонапряженности г имеет место перетекание газов на расстояния порядка радиуса камеры, так как даже после выравнивания г на расстояниях от оси пучка, равных шагу между форсунками, неравномерность г по всему сечению камеры остается. При этом газ перетекает к участкам, в которых расходонапряженность г меньше. Однако этот процесс не оказывает решающего влияния на изменение распределения компонентов по сечению камеры.
Различие в скоростях испарения капель Ряс. з.з1. Типичная сле- компонентов также сказывается на турбулент. на распределения ч по ном перемешивании газов. При оттоке газов от сечению камеры: капель газы не увлекают за собой жидкие à — беа учета сглаживания КаПЛИ, Позтоыу ПРИ ЗиаЧИТЕЛЬНОЙ раЗНОСТИ в скоростях испарения капель компонентов (например, жидкого кислорода н керосина) происходит также изменение распределения т и г, так как газы компонента, испарившегося раньше, стремятся распределиться по сечению более равномерно.
Однако вследствие очень высокой интенсивности теп. лоподвода к каплям в камере ЖРД скорости испарения капель настолько велики, что разность во времени испарения различных компонентов очень незначительна и не успевает существенно повлиять на распределение т и г по сечению камеры в целом. Таким образом, можно считать, что перемешивание компонентов в результате испарения, так же как и при перемешивании капель, в основном происходит в пределах размеров порядка шага между форсунками. Незначительное распространение перемешивания газов при испарении на ббльшие расстояния может быть учтено соответствующим выбором закона распределения компонента вокруг оси форсунки. После окончания испарения происходит дальнейшее смешение и сгорание компонентов.
Однако до определенных длин камер полное перемешиванне в камере, т. е. полное выравнивание состава газа по сечению камеры, закончиться не успевает. При дальнейшем движении продуктов сгорания по соплу распределение соотношения компонентов практически не меняется, во-первых, вследствие того, что время пребывания их в сопле мало, и во-вторых, потому, что интенсивность турбулентности в ядре потока в сопле значительно меньше, чем в камере сгорания.
Таким образом, если равномерный по сечению камеры состав компонентов не был обеспечен у головки форсунками, то турбулентное перемешивание газов в камере сгорания и в сопле только сглаживает «пики» 100 распределения р'и г между форсунками (рис. 3. 31), но неравномерности я целом не ликвидирует. Очевидно, что чем больше длина камеры сгорания и сопла, тем менее справедлив этот вывод, так как при течении гмов по камере и соплу некоторое перемешивание все-таки продолжается, однако до определенных длин камеры сгорания и сопла приближенно можно считать, что состав отдельных струй продуктов сгорания, входящих из сопла, различен, причем эта неравномерность определяется в первую очередь расположением форсунок на головке.
Для оценки распределения р по сечению камеры достаточно рассчитать распределение р, получившееся в результате перемешивания каяеяь у головки по выходе компонентов из форсунок. При этом влияние турбулентного перемешивания газов можно учесть соответствующим уяяоном распределения компонента вокруг оси форсунки. Распределение компонентов вокруг оси форсунки Рассмотрим головку с центробежными форсункамн. Для простоты анализа примем шахматное расположение форсунок окисчителя О и горючего Г (рис. 3. 32, б).
Дг ига а) Рис. 3. 32. Образование пучков смеси компонентов: а-аве форсунка; б — шахматное расположение, в — сотовое расиоложенне; г — форсунка у стенки; ° -форсунка окнетвтелн; -; — форсунка горючего о — места образованна пучков Также будем считать, что количества движения окислителя и горю;ага равны, следовательно, после пересечения факелов в точке А на- 1О1 Рнс.
3. 34. Принятое распределение компонента вокруг оси пучка Рис. 3. 33. Образование пучков у головки с шахматным расположением форсунок: ° — форсуякн окислителя; 4 — форсунка горючего; о — места образованна аучкоа Во всех случаях капли, находящиеся ближе к стенке, чем оси ближайших к ней форсунок, попадают на стенку (см. рис. 3. 32, г). Образовавшиеся в нашем случае пучки капель в точках Аь Аь Аь А4 движутся параллельно оси камеры. При этом пучки расширяются как за счет увлечения капель газом, так и в результате некоторого, очень незначительного, проникновения капель, а также в результате испарения капель компонентов. Приближенно примем, что при достаточном удалении от головки распределение компонентов вокруг оси пучка следует некоторому закону распределения, близкому к закону Гаусса (рис.
3. 34), причем величина среднеквадратичного отклонения окислителя или горючего от оси пучка пропорциональна шагу между форсунками Н, т. е. ге — =- йв и'сг гтя (3. 83) где 6 — расход компонента в пучке; г — расстояние от оси пучка; губ — количество компонента, попадающее на площадку Н' на расстоянии г от оси пучка. Рассмотрим распределение количества окислителя вокруг оси вы.
бранной форсунки. Поданный через форсунку окислитель распределил- 102 правление пучка будет осевым (см. рис. 3. 30, б). Пересечение факелов двух смежных форсунок О и Г пройдет по гиперболе А1ААа (рис. 3. 32, а). Проекцией линии пересечения факелов на плоскость, параллельную го. ловке, будет прямая А,Ау. После слияния окислителя и горючего на линии пересечения А,АА, капли имеют составляющие скорости, направленные вертикально (вдоль оси) и горизонтально. Горизонтальная составляющая скорости движения компонентов, очевидно, будет направлена от линии, соединяющей оси форсунок, к точкам А, и Аз. В результате в точках А, и Аз образуют. ся пучки смеси компонентов, При взаимодействии форсунок, расположенных в шахматном порядке, слияние смеси капель в пучок произойдет в точках Аь Ам А,, Ан причем в каждом из этих пучков произойдет слияние компонентов от пересечения конусов распыливанив четырех форсунок, окружающих пу.
чок (рис. 3. 32, б и 3. 33). При сотовом расположении форсунок (см. рис. 3. 32,в) пучки образуются в точках Аь Агн Ат, Аи Аа, Аа. ся поровну между пучками Аь Ам Аа, А4. В каждый из этих пучков попал, кроме того, окислитель из форсунок Б„Б,, Ба, Б4 (см. рис. 3. 33). Количество окислителя у оси рассматриваемой нами форсунки опредЕЛИтея КаК СуММа КОЛИЧЕСТВ, ПОПаВШИХ ИЗ ПУЧКОВ АЬ Аго А„А4 (рнс. 3. 35, кривая 1).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
