Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели, 2005 г. (1240835), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Сравнивая тарельчатые сопла с соплами с внешним расширением, необходимо отмеппь как преимущество тарельчатых сопел меньшее влияние помех со стороны внешней среды, возникающих прн движении ракеты в атмосфере. Вес двигателя с тарельчатым соплом в целом несколько снижается из-за значительного уменьшения веса камеры сгорания. Однако, как мы отметили выше, вследствие эжектнрующего действия потока в тарельчатых соплах возможно перерасширение до р„' < р„, что приводит к ухудшению тяговых характеристик.
Глава СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕ И СМЕСИТЕЛЬНАЯ ГОЛОВКА КАМЕРЫ ЖРД Эффективность работы камеры сгорания ЖРД в значительной мере зависит от качества организации процессов смесеобразования и горения, в свою очередь, существенно зависящих от свойств топлива и конструкции головки камеры двигателя. 3.1. Основные стадии процессов смесеобразования и горения топлив Смесеобразование и преобразование топлива Смесеоброзованием называется комплекс процессов, протекающих от момента ввода в камеру компонентов топлива до образования однородной смеси. Таким образом, процесс смесеобразования складывается из подачи компонентов в камеру через форсунки, дробления струй на капли, испарения и перемешивания. Процесс смесеобразования должен обеспечить: 1) возможно более полное сгорание компонентов в камере; 2) возможно более равномерное распределение соотношения компонентов (т. е. К ) и расходонапряженности а по сечению камеры (см.
~ 5.1); 3) возможно меньшую склонность к возникновению неустойчивого горения; 4) образование пристеночного слоя, необходимого для защиты стенок камеры от высоких тепловых потоков, направленных в стенку. Преобразованием топлива в продукты сгорания будем называть суммарный процесс, состоящий из процессов смесеобразования и горения топлива. Процессы преобразования в зависимости от типа топлива (самовоспламеняющегося или несамовоспламеняющегося) схематично представлены на рис.
3.1. При самовоспламеняющемся топливе после распыления компонентов процесс горения идет в трех направлениях. Часть топлива испаряется до смешения в жидкой фазе. После этого происходят смешение компонентов в 76 Глава 3. Смесеобразование и смесительная головка камеры ЖРД Распыление Смеш в жидко Реакции .~~ в жидкой фазе Гетерогенное горение в газовой фазе Распыление Смеше в жидко Испарение Гетерогенное горение Смеш газона Реакц газо во Продукты сгорания Рис.
3.1. Схемы протекания процессов преобразования газовой фазе и горение их, которое и приводит к образованию продуктов сгорания. Вторая часть топлива перемешивается в жидкой фазе. При контакте капель горючего и окислителя реакция горения начинается непосредственно в жидкой фазе.
В связи с резким повышением температуры при горении часть топлива, недостаточно перемешавшаяся в жидкой фазе, испаряется, не успев вступить в реакцию. Дальнейшее смешение и горение этого топлива происходят уже в газовой фазе. Одновременно с гомогенным может происходить гетерогенное горение, т. е. горение жидких капель одного из компонентов в газообразных парах другого. Такое горение возможно в случае опережения испарения одного из 3.1. Основные стадии процессов смесеобразования и горения топлив 77 и лн м Рис. 3.2.
Схема протекания процессов в камере сгорания: ! — распыление; 3 — испарение; 3 — смешение компонентов; 4 — воспламенение; 5 — лиффузионное горение; 6 — неполнота сгорания компонентов или при образовании в результате распыления очень крупных капель, которые испаряются медленнее, чем мелкие капли. Реакция горения в жидкой фазе характерна только для самовоспламеняющихся компонентов. При несамовоспламеняющихся компонентах реакция в жидкой фазе не возникает и процесс преобразования идет по схеме, представленной на рис. 3.1, б.
После распыления компонентов происходит смешение их в жидкой фазе. При этом возможно и предварительное смешение (например, в эмульсионной форсунке). Затем происходят испарение компонентов топлива, дальнейшее их смешение и реакция. Одновременно имеет место также гетерогенное сгорание капель.
Согласно протеканию процессов, определяющих процесс преобразования, камеру сгорания ЖРД принято разбивать по длине на следующие основные зоны (рис. 3.2): 1 — зона распыления, П вЂ” зона испарения, П1 — зона смешения и горения. Здесь т;/и — степень завершенности элементарного процесса преобразования топлива в продукты сгорания, Следует отметить, что деление камеры на указанные зоны несколько условно, так как процессы распыления, испарения, смешения и горения не идут в строгой последовательности, и нельзя сказать, что только после полного распыления начинается испарение, а после испарения — смешение и т. д. В элементарном объеме камеры сгорания могут одновременно протекать два или три элементарных процесса. Таким образом, название зоны определяет 78 Глава 3.
Смесеобраэование и смееительнал головка камеры Жрд только наиболее характерный для нее процесс. Разберем протекание процес- сов в каждой из зон. Распыление Основными показателями, характеризующими качество распыления, являются тонкость и однородность распыления, а также дальнобойность струи и распределение расходонапряженности по ее сечению.
Качество распыления топлива, поступающего в камеру, определяет протекание в камере дальнейших процессов — испарения, смешения и горения топлива. На качество распыления влияют процессы, протекающие как в топливо- подающей системе и форсунках, так и в камере сгорания. Тип форсунок (струйные или центробежные, двухкомпонентные по схеме «газ — жидкость» или «жидкость — жидкость»), конструкция и взаимное расположение их в значительной мере предопределяют процесс распыления топлива. Распад струи на капли и дробление капель происходят на выходе струи из форсунок под действием внешних и внутренних сил.
К внешним силам (иногда их называют аэродинамическими) относятся силы взаимодействия компонента со средой, в которую он впрыскивается. Величина этих сил зависит от вязкости и плотности окружающей среды, скорости струи и размеров капель жидкости. К внешним силам относятся также силы взаимодействия при пересечении струй или при встрече струи с твердой стенкой. При увеличении скорости движения струи относительно среды, в которую происходит впрыск, действие внешних сил растет, при этом растет возмущение поверхности струи, что приводит к быстрейшему дроблению струи, а следовательно, и улучшению качества распыления. Однако распад и дробление струи могут происходить и при отсугствии внешних сил. Так, например, при впрыске компонента в вакуум распыление происходит под действием внутренних сил. К внутренним силам относятся действие турбулентности и молекулярные силы. В струе компонента, вытекающего из форсунки, возникают турбулентные пульсации скорости; внугри струи моли жидкости совершают беспорядочные движения.
Интенсивность турбулентности зависит от перепада давления на форсунке, плотности, вязкости компонента, а также от конструкции форсунки. Увеличение перепада давления (т. е. увеличение скорости истечения) способствует увеличению интенсивности турбулентности, вследствие чего ускоряется дробление струи, т. е. улучшается качество распыления. Молекулярные силы — это силы вязкости и поверхностного натяжения. При выходе струи из форсунки внешние силы и турбулентные пульсации скорости внутри струи стремятся раздробить струю (пелену); с другой стороны, силы поверхностного натяжения и силы вязкости препятствуют дроб- 3.1.
Основные стадии проиессов смесеобразования и горения изоплив 79 лению. При этом дробление струи и образование капель происходят следующим образом. При впрыске компонента через форсунку образуется жидкая струя (пелена). Под действием внешних сил и турбулентных пульсаций в струе появляется возмущение на поверхности жидкости. В результате дальнейшего действия на компонент внешних и внутренних сил образуется пленка жидкости и струя (пелена) распадается на частицы различной величины и формы.
Малые частицы под действием поверхностного натяжения принимают форму шара и образуют капли; крупные — продолжают распадаться дальше (рис. 3.3). Тонкость распыления характеризуется величиной среднего диаметра образующихся капель. Однородность распыления характеризуется кривой распределения капель данного диаметра. Тонкость и однородность распыления зависят от свойств компонента, конструкции форсунки, а также от параметров работы камеры сгорания, в которую производится впрыск, и, в первую очередь, от плотности продуктов 3 ! о о о с-~ с=Э о о Вуз 4оо О а о Чооо оО, О О о '> о о О о о о ,оо о, ,о о'о о о о о , о Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
