Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Учебник под ред. В.М.Кудрявцева (1014186), страница 36
Текст из файла (страница 36)
Это очень большие потери. Если реальные потери будут имет щества использования металлов в топлив чески на нет; реальные потери удельного импульса м вышают 3 — 4%, т. е. (р, = 0,97 —: 0,9б. Эт степень неравновесности сравнительно от крайних случаев (опытные данные); 164 степень неравновесности зависит прежде всего от размера конденсированных частиц (!, и геометрических размеров сопла, определяемых при подобном профилировании с(„р. Оказывается, что степень неравновесности ш,/трг и Т„/Т„ 1/(1', и 1/(!нр. Иначе говоря, чем мельче частицы и чем больше геометрические размеры сопла, тем меньше разница между параметрами т частиц (ы„Т,) и газа (и)„, Т,), т.
е. меньше будет неравно- !к весность. Следует отметить, что течение потоков с конденсированной фазой усиленно изу- з чается. Здесь возникает мноОа! ) го проблем, среди которых: 1) определение размеров конденсированных частиц и у их распределение, т. е. определение спектра разме ов Рис. 7.5. Особенности тече(ин ПС с конден- сированной фазой: частиц; 1 — расширение ПС при поеном равновесии гааа 2) изучение процессов ко- и конкеневрованвой фазы (ш,-!р,); г — раси!н- атуляцИИ (СЛипання) ц, ца- Рение ПС при тепловой неравномерности (и 1рге!о) 3 — расширение ПС при тепловой н киОбОРОт, ДРОбЛЕНИЯ ЧаСтИЦ ПРИ намвческой неравновеснасгн ( о,-! ! „) движении по соплу и их влияния на параметры потока; 3) определение степени неравновесности (динамической и тепловой), а также ее изменения при движении потока по соплу; 4) изучение особенностей профилирования сопл для двухфазных потоков и влияния, с одной стороны, профиля на особенности течения, а с другой — потока на профиль; 5) правильная оценка потерь и расчет ожидаемых значений удельного импульса в конкретных условиях.
На рис. 7.5 в координатах У вЂ” Т показаны качественные особен- ности течения и расчета ПС с конденсированной фазой. ГЛАВА гг ПРОЦЕССЫ В КАМЕРЕ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ $8Л. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Камера — один из важнейших агрегатов ЖРД, характеристики которой во многом определяют основные характеристики ЖРД— тягу и удельный импульс. Сложность создания камеры с совершенными техническими характеристиками (высоким удельным импульсом, малой массой и габаритами и др.) связана с исключительно напряженным рабочим процессом в камере. Чтобы получить более высокие удельные импульсы ЖРД, используют новые высококалорийные топлива (при условии получения высоких Гг), горение которых ведется при высоких давлениях в камере сгорания с последующей большой степенью расширения ПС в сопле.
Современные стандартные топлива на основе Н(ЧО, и (ЧзО, и жидкого кислорода имеют теплотворную способность, в несколько раз превышающую теплотворную способность топлива в любой другой тепловой машине. В настоящее время внедряют более эффективные топлива (водород + кислород или фтор, металлосодержащие топлива и др.), при которых в камере сгорания в зависимости от принципиальной схемы ЖРД давление достигает десятков мегапаскалей, скорость истечения газов — 2500 — 4500 мГс, температура сгорания топлива — 3000 — 4000 К и выше.
Поэтому сложно защитить стенки камеры от теплового, коррозионного и эрозионного воздействия газового потока методами, не влекущими за собой снижения удельного импульса и повышзния массыЖРД. Не меньшую сложность представляет проблема сжигания топлива в крайне ограниченных объемах. В настоящее время тяга, создаваемая в одной камере, составляет сотни и тысячи килоньютонов, а в ближайшее время достигнет десятков тысяч килоньютонов, поэтому в одной камере сгорания с предельно малыми объемами нужно будет сжигать сотни и тысячи килограммов топлива в секунду.
В современных камерах сгорания выделение теплоты в единице объема уже достигло 4 (10з — 10") кДж/(м' ч), т. е. в сотни раз больше, чем в любых других тепловых машинах. В этих условиях ПС в камере сгорания находится в течение нескольких тысячных секунды, и чтобы его сжечь с достаточной полнотой сгорания, необходима специальная, специфическая для камеры сгорания ЖРД подготовка топли ва. Компоненты топлива подаются через центробежные или струйные форсунки и вытекают из них в виде тонкой пленки конусообразной формы или в виде струй, которые распадаются на отдельные капли При близком расгголожении фзрсуггок конусы распыла или струи топ.
|за лива еще до распада на капли взаимодействуют друг с другом, а при далеком расположении конуса распыла или струи распадаются до встречи друг с другом и далее взаимодействуют в виде капель. Для сгорания топлива в минимальном объеме камеры сгорания необходимо, чтобы смесительные элементы головки равномерно распределяли топливо в поперечном сечении камеры сгорания как по расходонапряженности, так и по составу топлива, близкому к среднему соотношению компонентов топлива для камеры сгорания в целом. Известно, что компоненты топлива, прежде чем вступить в реакцию, должны предварительно испариться, хотя реакция может проходить и в жидкой фазе, например у самовоспламеняющихся компонентов топлива.
Капли испаряются за счет тепла, получаемого от ПС, за счет конвективного переноса (основная часть) и за счет лучеиспускания ПС. Пары компонентов топлива перемешиваются за счет турбулентной и молекулярной диффузии, вступают в реакцию и сгорают, при этом еще более интенсифицируют процесс подогрева, испарения и перемешивания компонентов топлива. Ввиду высоких температур, которые возникают в камере сгорания, время протекания химических реакций 10 а — 10 а с, т. е. исключительно мало. Поэтому на скорость преобразования топлива в ПС решающее влияние оказывают более медленно протекающие процессы (испарение, смешение топливных компонентов), большую роль в ускорении которых играют гидродинамические явления.
Следовательно, процесс преобразования топлива в ПС состоит из распыливания— дробления топлива на капли и первоначального распределения их в объеме камеры сгорания; прогрева и испарения капель; смешения паров горючего и окислителя; химической реакции — собственно процесс горения. Большинство указанных элементарных процессов протекает одновременно. Для быстрого и полного сгорания топлива необходимо создать его равномерное распределение как по ссотнсшению ксмгонентов топлива, так и по расходонапряженности и обеспечить такие гидродинамические условия в камере сгорания, чтсбы поданные компоненты топлива как можно быстрее вступили в реакцию горения. Это достигается специальной конструкцией головни и ее смесительных элементов.
Прежде чем перейти к более подробному изучению рабочего процесса в камере сгорания, рассмотрим основы теории и расчета смесительных элементов головки — струйных и центробежных форсунок. й азЪ ТЕОРИЯ И РАСЧЕТ ОДН ОКОМ ПО Н БИТНЫХ ЦЕНТРОБЕЖНЪ|Х ФОРСУНОК БЕЗ УЧЕТА ВЯЗКОСТИ КОМПОНЕНТОВ ТОПЛИВА Для сгорания топлива в минимальных объемах камеры сгорания ее головка со смесительными элементами должна обеспечить равномерное распределение топлива в поперечном сечении камеры сгорания как по соотношению компонентов, так и по расходонапряжениости; размер капель поданного в камеру сгорания топлива должен |67 а) бз ров.
При этом угол распыла струйных фо — 20', а дальнобойность достаточно больш струйных форсунок сложно обеспечить х обеспечивающее полное сгорание топлива камеры сгорания. Улучшить качество см счет столкновений струй компонентов топл кими струйными форсунками, или удара разрушения о специальную поверхность ( ность струйной форсунки где )зф — коэффициент расхода форсунки форсунки; р — плотность жидкости; Арф = 188 Ряс.
8.1. Схемы пентробежной форсунка са шнеком (а) н струйной (б) форсункн Рнс. 8лй Способы механического разрушения струи быть как можно более равномерным и достаточно малым, чтобы одновременно и быстрее завершился процесс их испарения. Взаимное расположение форсунок горючего и окислителя и их гидравлические параметры должны способствовать равномерному распределению топлива, обеспечивать активный подвод тепла из камеры сгорания к распыленному топливу для его быстрого испарения и создавать условия для перемешивания компонентов топлива.
При этом большое значение имеют выбор типа форсунок, их характеристики и взаимное расположение форсунок горючего и окислителя. В ЖРД широко используются два типа форсунок: центробежные (рис. 8.1, а) и струйные (рис. 8.1, б). Струйная форсунка подает компоненты топлива в виде компактной струи, которая при характерных для ЖРД небольших перепа- лени я на форсу нке, равный разности давлений на входе в форсун ку и в камеру сгорания; р,ф — давление торможения на входе в форсунку; р „ вЂ” статическое давление в камере сгорания .
Коэффициент расхода форсунки, равный отношению действительного к теоретическому расходу жидкости, всегда меньше единицы ввиду сужения струи в сопле и уменьшения действительной скорости истечения из-за гидравлических сопротивлений. Коэффициент расхода для струйной форсун ки определяют экспериментально . Сильное влияние на величину коэффициента расхода оказывает отношение длины цилиндрической части сопла к его диаметру 1оЫе. Так, при 1о!де = 0,5 —: 1 коэффициент расхода Рф = 0,6 —: 0,65, а при 2 ( 1сЯс ( 5 коэффициент увеличивается до )зф —— 0,75 —: 0,85. Следовательно, (хф у струйных форсунок достаточно большой и, как будет показано далее, больше, чем у центробежных форсунок. Большое влияние на рф оказывают угол входа 26 в сопло форсунки, род жидкости, ее температура, давление среды, куда впрыскивается топливо.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
