Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Учебник под ред. В.М.Кудрявцева (1014186), страница 46
Текст из файла (страница 46)
Если используют двухкомпонентные форсунки, улучшается равномерность соотношения компонентов топлива в поперечном сечении. Расходонапряженность определяют частотой и равномерностью расположения форсунок на головке, которые размещены по концентрическим окружностям. Пристеночный слой образуется путем задания необходимого коэффициента к у периферийных двух- компонентных форсунок или путем установки однокомпонентных центробежных или струйных форсунок. Из рассмотрения физической картины рабочего процесса в камере сгорания можно сформулировать общие требования, предъявляемые к конструкции головки. Головка камеры сгорания должна обеспечить: 1) равномерное соотношение компонентов топлива в поперечном сечении камеры сгорания, которое должно быть возможно ближе к среднему соотношению компонентов топлива для камеры сгорания; 2) равномерную расходонапряженность топлива в поперечном сечении камеры сгорания; 3) достаточно тонкое распыливание топлива и хорошее перемешивание компонентов при помощи смесительных элементов; 4) расположение форсунок на головке КС и их параметры должны обеспечить обратные вихревые токи необходимой интенсивности; 5) пристеночный слой в случае необходимости с заданным соотношением компонентов топлива с минимально возможным отклонением от расчетного соотношения по периметру камеры сгорания.
Выполнение этих требований обеспечит наиболее полное сгорание топлива в минимальном объеме КС и с минимальными потерями в удельном импульсе. й 8.10. ИСПАРЕНИЕ ТОПЛИВА При распыливании топлива распределение капель по сечению камеры сгорания отличается той или иной неравномерностью по их концентрации в единице объема, что ведет к переменному местному соотношению компонентов топлива. Подвод тепла к каплям осуществляется за счет конвективных обратных токов и частично лучистого потока; тепло идет на нагрев и частичное испарение капель. В связи с различием скоростей испарения капель горючего и окислителя соотношение паров компонентов топлива около головки КС может отличаться от соотношения, задаваемого форсунками.
По мере испарения и сгорания топлива тепло к каплям подводится от очагов горения. Для самовоспламеняющихся компонентов топлива характерны частичное парообразование и прогрев капель в результате жид- 219 кофазных реакций. Дальнейший процесс подвода тепла такой же, как н для несамовоспламеняющнхся компонентов топлива. На скорость испарения капли влияют относительная скорость, размер капель, нх температура, упругость насыщенных паров, разность температур газа н капли, условия подвода тепла, концентрация паров капли в окружающей среде, физические свойства жидкости, ее паров, окружающей среды я другие параметры, Указанные параметры переменны в различных частях камеры сгорания, н дать надежную аналитическую инженерную методику расчета испарения не только факела распыленного топлива, но к единичной капли весьма трудно. Поэтому остановимся на качественном изучении процесса испарения капли н рассмотрим влияние на этот процесс основных параметров.
Испарению капель посвящено много экспериментальных работ, большинство нз которых проводилось в условиях, отличных от условнй испарения капель топлива )КРД. Результаты эксперимента обобщалнсь на основе теории подобия. Количество тепла, передаваемого от ПС к капле, 1',1 = аь (Тпс — Ти) Р„т, (8.98) где а„ вЂ” коэффициент теплоотдачи; Тпс, Т„ — ссстветстгенво тем- пературы ПС н поверхности капли; Є— поверхность испаряющейся капли; т — время. Количество нспарнвшегося топлива Мр = Ь 02. — Р.) Р. ° (8.
99) где ))е — коэффициент переноса вещества; р, — давление насыщен- ных паров; р — парцкальное давление паров испаряющейся капли в окружающей среде. Коэффициенты теплоотдачн н переноса вещества определяют нз экспериментальных крнтернальных уравнений типа 5)п =1(Ке, Рг); Нпр =г'(Ке, Ргр), ГдЕ )Ч)П = аьй)Ь вЂ” тЕПЛОВОй КрнтЕрИй НуССЕЛЬта; РЕ = ГрГ(1ч— критерий Рейнольдса; Мпр = р гг!1, — диффузионный критерий Нус- сельта; Рг = тра — критерий Прандтля для условий теплопере- дачи; Ргр = тЯ вЂ” критерий Прандтля для условий диффузия; а, т, 12 — соответственно коэффнцненты температуропроводностк, кн- нематнческой вязкости, молекулярной диффузии; и — относнтель- ная скорость капля; гг — характерный линейный размер (днаметр капля).
Козффнциент молекулярной диффузии (8. 100) р 'т 273/ где Ро — коэффнцнент диффузии прк р = 780 мм рт. ст. к Т = 273 К; л = 0,75 —: 1,0. В теории тепло- н массообмена показывается глубокая аналогия 220 этих процессов. Прк взаимном протекании тепло- н массообмена эти процессы сильно влияют друг на друга. Для приближенного определения тепла, подведенного к капле„ пря Рг = 0,72 н Ре = 190 —: 3000 можно использовать формулу Д. Н.
Вырубова (8.101) Хп = 0,54)~ Ке нлн прн Рг = 0,72 н Ре = 0 —: 100 формулу Кудряшова Нп = 2+ 0,33)г Ке. (8. 1 02) Из теории испарения известно, что с уменьшенн- 00 "'"' 00 ем диаметра капель воз- Хх растает нх скорость непа- 00 рення. Длина пути нспа- 00 0;-гХлгн 00 7Х Г 20 ггр рення всей массы капель 00 определяется наиболее 40 крупными каплями. 20 На рнс. 8.44 представ- м лена зависимость потребной длины каме ы сго а- г„сн Г 2Х Х $0!Х202Х Х ГО ГХ202Х Х0 Г00 пель гептана с меднанным Рис.
8.44. Зависимость потребной длины кадиаметром 75 мк. Все кап- меры сгорания от диаметра капель горючего лн разбиты на группы; в пределах группы диаметры капель равны, н отношение массы капель каждой группы к массе всех капель составляет 20%. Пунктирная линия показывает измененне массовой доли нспарнвшейся жидкости для всех капель, На рисунке видно, что для испарения капель с начальным диаметром д„ = = 50 мкм требуется длина, в несколько раз меньшая, чем для капель с д„= 225 мкм, н как важно достигнуть тонкости н однородности капель распыленного топлива для полного сгорания топлива в минимальных объемах камеры сгорания.
С повышением относительной скорости капли н разности температур (8.98) подвод тепла к капле н скорость ее испарения увеличиваются. Большое влияние на скорость испарения оказывают физические свойства жидкости. С уменьшением вязкости и поверхностного натяжения капли дробятся на более мелкие, что ведет к увеличению скорости нх испарения. С увеличением давления насыщения паров р, возрастает скорость испарения.
Капли топлив с меньшей теплотой испарении прн всех прочих равных условиях испаряются быстрее. Большое влияние на испарение оказывает температура топлива. С увеличением температуры топлива капли дробятся на более мелкие за счет уменьшения вязкости н поверхностного натяжения, давление насыщенных паров р, возрастает, что ведет к повышению скорости испарения. Зная параметры, влияющие на скорость испарения капель топ- лина, конструктор мажет грамотно подойти к проектированию сис- темы смесительных элементов головки и организации рабочего про- цесса в камере сгорания.
й 8.11. ВОСПЛАМЕНЕНИЕ ТОПЛИВА Самовоспламеняющиеся компоненты топлива в условиях эксплуатации реагируют при контакте в жидкой фазе с выделением тепла, чог гао 00 гпо 700 )го го ПО 40 0)оо 00 00 04 ог ннпу,» О-по -го го 0 ю 2,'и благодаря чему развиваются предпламенныеэкзотермическиереакции, которые нагревают компоненты топлива до температуры кипения и воспламеняют его пары.
Весьма важная характеристика топлива — величина периода задержки пасплалгпнпния, которая для самовоспламеняющихся компо- гтаlгзтм тз !п,ас гп 000 40 го 0 гП т 20.'и оп пт ап )) и Рис. 8.48. Зависимость та = ((а) Рис. 8.47. Влияние опережения подачи компонентов топлива иа та!тагп1п центов топлива определяется периодом времени от момента соприкосновения их до момента появления пламени. Период задержки воспламенения самовоспламеняющихся компонентов топлив зависит 222 Рис.
8.46. Влияние ната коипеитрапии НХОа с горючими: à — фурфурпловый спирт; 2 — 90% фурфурплового спирта е 20' апп- лина Рис. 8.46. Влияние начальной температуры топлива иа та: ! — фурфурвловый спирт + 93.0% ниап 2 — смесь аоае фурфурвлового спарта + 20% аввлвва + + 92 0% Ннаа от природы топлива, соотношения компонентов топлива, начальной температуры, последовательности поступления компонентов топлива с заданным коэффициентом избытка окислителя в камеру сгорания и давления в камере сгорания. На рис. 8.45 — 8.49 представлены зависимости периода задержки воспламенения от ряда указанных фак. торов.
Так, из рис. 8.45 видно, что при использовании одного и того же горючего совместно с азотной кислотой период задержки воспламенения может изменяться в несколько раз в зависимости от концентрации азотной кислоты, из рис. 8.48 следует, что период задержки воспламенения азотной кислоты совместно с фурфуриловым спиртом при понижении температуры компонентов топлива резко увеличивается сь. еь и т. д.
От величины периода задержки воспламенения зависят надежность работы двигателя на пусковых режимах т его Работы, плавность наРастаниЯ Дав- Рис. 8.49. Изменение давления в КС и возможность ее взрыва. пения в (гС от начала заЕсли увеличивается период задержки пуска до выхода иа режим воспламенения, то может накопиться такое количество топлива, которое после сгорания разовьет в камере сгорания столь высокое давление (рис. 8.49), что она разрушится. При использовании несамовоспламеняющихся компонентов топлива теплота, необходимая для нагрева, испарения и развития в нем экзотермических предпламенных реакций, подводится от внешнего источника.
Тогда самовоспламенение характеризуется наименьшей температурой, при которой развивается процесс самовоспламенения, и периодом задержки этого процесса, который равен периоду времени от момента поступления топлива в зону высокой температуры до момента появления пламени. Температура и период задержки самовоспламенения для подобных топлив не будут физическими константами, так как зависят от условий опыта. Для сравнения активности подобных топлив определяют температуру и период задержки воспламенения в одинаковых условиях.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
