Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Учебник под ред. В.М.Кудрявцева (1014186), страница 124
Текст из файла (страница 124)
Этого недостатка лишен многозонный газогенератор (рис. 15.10, б). В этом газогенераторе имеются: смесительная головка 1, обеспечивающая подачу топлива для генерации высокотемпературного газа, пояс (пояса) разбавления 6!7 2, обеспечивающий подачу и смешение с высокотемпературным газом компонента топлива, находящегося в избытке. Конструкция, условия работы и методы расчета смесительной головки аналогичны головке камеры сгорания ЖРД.
Соответственно внутренний объем таких ЖГГ делится на две зоны: горения и разбавления. Рассматриваемый тип газогенератора позволяет: иметь в газогенераторе стабильный высокотемпературный очаг пламени (зону горения); организовывать наиболее эффективнмм образом ир10 з дк/кг ввод избыточного компонента топлива, обеспечивая тем самым 100 аа ба сс 0 т,к с 500 уааа иш 2000 /Гаа 1000 '41 66 а,а 61101,аг заау х Рис. 16.9. Зависимость Т и ГсТ про- Рис. 16.10. Схемы двухкомпонеитдуктов сгорания от о: ных ЖГГ г — керосин ени г — керосин +НХОс минимальный объем зоны разбавления и равномерное поле температур по сечению газогенератора1 подбирать объем зоны разбавления, обеспечивающий оптимальные параметры газа на выходе из газогенератора.
При проектировании двухкомпонентного ЖГГ рассчитывают: объем ЖГГ, площадь смесительной головки и пояса разбавления; смесеобразование и охлаждение. Расчет смесеобразования и охлаждения в основных положениях аналогичен расчету камеры сгорания и в данном разделе не рассматривается.
При заданном виде топлива, температуре и давлении газа на выходе из газогенератора первой задачей расчета газогенератора является выполнение термодинамического расчета процесса газогенерации. Этот расчет основан на кинетике горения термического разложения и испарения топлива. Кинетика горения топлив при больших избытках и недостатках окислителя изучена еще недостаточно. Вследствие этого точный термодинамический расчет двухкомпонентного ЖГГ затруднителен и в настоящее время в ряде случаев невозможен. В общем виде процесс газогенерации можно рассматривать как о новременное протекание взаимосвязанных процессов — горения и арения топливных компонентов, идущих одновременно с разло- и сп 618 жением избыточного компонента топлива.
Полнота реакций, протекающих при этих процессах, во многом зависит от организации рабочего процесса в ЖГГ и от времени пребывания в нем топлива. В ряде случаев время пребывания топлива оказывает определяющее влияние на химическое равновесие протекающей реакции, а следовательно, на температуру и химический состав генерируемого газа. Например, для ЖГГ, вырабатывающего восстановительный газ, время пребывания, с одной стороны, должно быть достаточным для того, чтобы был завершен процесс частичного сгорания, испарения и разложения избыточного горючего, а с другой — при слишком большом времени пребывания и установлении химически равновесного процесса, из избыточного горючего могут образоваться побочные продукты с большой молекулярной массой (кокс, тяжелые смолы), что помимо снижения газовой постоянной может привести к загромождению газового тракта. Чтобы этого избежать, в ЖГГ, генерирующих восстановительный газ, иногда заведомо стремятся создать химически неравновесный рабочий процесс' путем задания меньшего времени пребывания.
Для каждого топлива при заданной температуре газа и конструктивном типе ЖГГ время пребывания подбирается экспериментально из условий получения наибольшего значения газовой постоянной и обеспечения стабильного протекания рабочего процесса. При температуре газа порядка (1000 — 1200)К время пребывания топлива в однозонном ЖГГ т, = (0,004 —: 0,008) с. Объем ЖГГ 1 с.г готт/Рп.г с (15.81) где т, — массовый расход топлива; р„, — плотность газа в камере. Объем многозонного ЖГГ складывается из объемов зон горения )ге,г и Разбавлении 1',,р.' (,,=) е,,+),,р (15.82) Величины 1/е,т и )га,р зависЯт от вРемени пРебынаниЯ в соответствующих зонах т,, и т,.р и расходов через них т, „и т, (15.83) Ъ', =т, (та,+т, )/р (15.84) Здесь рп,, и р„.р — плотность газа в зоагах горения и разбавления.
Расходы через зоны горения и разбавления определяются по формулам: для ЖГГ, вырабатывающего окислительный газ (а > 1). (15.85) т,,„= тт(к„,+ 1)/(к +1); т,,р — — т,(к — к,)/(к + 1); (15.85) для ЖГГ, вырабатывающего восстановительный газ (а с 1), 619 (15.87) (15.88) Таблица 13.1 Высота орбеты (нм1 врн ускоренны я, муса а'р = лга.рг(кж.р+ лун.егкт)' (15.90) Р4О МЮ Аэролниамняесное сопротивление Геомагнетнам Световое лавление Внутренняя гравитация 7,0 10е 9,3 1О ~"" 3,110е З,З !О а 4 б 1О 'е б'1,10-га 3,1 10 е 3,3.10 ' 621 020 т, „= т,к (к, 1-1~1)/(к,„„(к ',- 1)1; ш =лг (к „вЂ” кгл)7(к „(кем+1)1 ° Здесь к, — соотношение компонентов в зоне горения; к,„— соотношение компонентов расходуемых ЖГГ. Время пребывания топлива в зоне горения г,, = (0,002 —: 0,004) с.
Время пребывания в зоне разбавления определяется временем испарения избыточного компонента. В первом приближении при диаметре капель < 60)е и температуре газа на выходе из газогенератора не меньше 1100 К можно принять тмр = (0,001 —: 0,003) с. Величина к „выбирается таким образом, чтобы обеспечить устойчивое горение йравномерную по сечению температуру в зоне горения. Из условия заданной расходонапряженности определяются площади соответственно головки горения и пояса разбавления: Р.
=т,.„Гк „; (15.89) где к, и к р — коэффициенты расходонапряженности по жидкости; к„— коэффициент расходонапряженности по газу. Величины к„„, к р и к„зависят от большого количества факторов (рода тонлива, конструкции форсунок, диапазона регулирования газогенератора и др.) и подбираются по экспериментальным данным. Испарительный ЖГГ. Принцип работы испарительного ЖГГ основан на газификации жидкости путем подвода к ней тепла, осуществляемого обычно в специальном теплообменном устройстве. В качестве такой жидкости может быть использован либо один из компонентов топлива, либо вещество, специально для этого предназначенное, запасы которого находятся на борту ЛА в отдельных емкостях.
Широкое применение в качестве испарительного ЖГГ систем наддува для криогенных топлив получил трубчатый змеевик, расположенный в выхлопном коллекторе турбины. Расчет испарительного ЖГГ сводится к расчету теплообменных систем (теплообменник газ — жидкость или газ — газ). Аккумулятор сжатого газа. Расчет АСГ сводится к определению количества газа и объема аккумулятора, потребного для размещения этого газа. Соответствующие расчетные зависимости приведены в 2 15.2. й 13.3. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА СИСТЕМ ПОДАЧИ КОСМИЧЕСКИХ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Специфика работы ЖРД в космических условиях. Основная и наиболее важная особенность эксплуатации ЖРД в космосе — работа в условиях невесомости. Практически под невесомостью понимается такое состояние, когда воздействие гравитационных сил пренебрежи- мо мало или их влияние уравновешивается инерционными силами (как это имеет место, например, в орбитальном полете).
В условиях практической невесомости существуют внешние и внутренние силы, влияние которых в ряде случаев следует учитывать. Сюда относятся: притяжение космических тел; аэродинамическое сопротивление; торможение, обусловленное корпускулярным и электрическим сопротивлением при солнечных вспышках и прохождении радиационных поясов; силы, возникающие под влиянием взаимодействия электрического заряда ЛА с магнитными полями космических тел; эффект светового давления; силы, возникающие в результате вращения ЛА относительно его центра тяжести; силы, внутренней гравитации между элементами летательного аппарата.
В табл. 15.1 приведены данные сравнительных по отношению к ускорению на уровне Земли (д = 9,81665 ььгса) величин ускорений„ возникающих под действием некоторых перечисленных сил для ЛА массой в 45,36 т. Снлм, сбуслселаеающее ееааелесеееие уснсрелаа )а)з изложенного следует, что вероятность полного уравновешивания всех внешних сил, действующих на корабль, практически исключена. Однако абсолютная величина этих сил пренебрежимо мала. При работе двигателя космического корабля (при наличии тяги), как правило, возникают инерционные силы, достаточные для обеспечения нормального функционирования всйх систем двигательной установки.
Иначе обстоит дело в момент подготовки двигателя к запуску и в процессе запуска. Основные осложнения здесь заключаются в необходимости забора жидкого топлива из баков при исключении возможности попадания газа в топливные магистрали, т. е. в обеспечении сплошносги жидкости на входе в заборное устройство. Поведение жидкости в условиях невесомости отличается от поведения жидкости при воздействии гравитации, так как при отсутствии или пренебрежимо малом влиянии гравитации поведение жидкости в топливных баках определяется межмолекулярными силами. Таким образом, специфику работы ЖРД при невесомости можно определить.как эксплуатацию в условиях, при которых влияние межмолекулярных сил, действующих в жидкости, становится преобладающим., К межмолекулярным силам относятся силы адгезии, действующие между молекулами жидкости и твердых тел; силы когезии, действую- щие между молекулами в объеме жидкости и поверхностное натяжение жидкости.
Особо большое влияние на поведение жидкости в условиях невесомости оказывает поверхностное натяжение, величина которого является физической константой жидкости. Величина поверхностного натяжения уменьшается с повышением температуры и зависит от наличия в жидкости примесей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
