Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели, 2005 г. (1240835), страница 13
Текст из файла (страница 13)
ЗЗ. Механизм распада струи (пелены): а — струйная форсунка; 6 — центробежная форсунка; в, г — зпюры распределения расходонапряженности; 1 — струя; 2 — возмущение поверхности и образование перемычек; 3 — дробление струй (пелены) на части; 4 — пелена ЗО Глава 3. Смеееабралавание и сиесительная головка камеры ЖРД сгорания. С увеличением плотности среды, в которую производится впрыск, а также с увеличением перепада давления на форсунке тонкость распыления увеличивается.
Для ЖРД средний диаметр капли находится в пределах 25...250 мкм. Интересно отметить„что для дизеля, имеющего значительно больший перепад давления на форсунке, средний диаметр капли меньше и находится в пределах 10...100 мкм. Основная причина этого заключается в том, что в дизелях устанавливаются форсунки со значительно большим перепадом давления Ьрф, чем в ЖРД. Дальнобойность струи (или глубина проникновения) определяется скоростью выхода струи из форсунки (т.
е. перепадом давления на форсунке), направлением и углом распыления, а также плотностью среды, в которой происходит распыление компонентов. Увеличение дальнобойности струи нежелательно, так как увеличиваются размеры зоны распыления, а следовательно, и размеры камеры сгорания. Распределение расходонанряженности компонента по поперечному сечению струи определяется, в первую очередь, типом форсунки. Типичные эпюры распределения расходонапряженности для струйной и центробежной форсунки приведены на рис.
3.3, в, г. Для струйной форсунки типичным является пик расходонапряженности на оси форсунки. Для сечения струи центробежной форсунки характерно наличие двух пиков на некотором расстоянии от оси. По мере удаления струи от сопла форсунки происходит некоторое сглаживание пиков (пунктирная линия на рис. 3.3, в, г).
Обычно полагается, что расходонапряженность по окружности струи постоянна, хотя в действиительности расходонапряженность неравномерна. Испарение Процесс испарения является важным этапом подготовки топлива к воспламенению и горению, так как основное количество топлива в камере ЖРД воспламеняется и горит в газовой фазе. От скорости протекания процесса испарения сильно зависит и полное время, за которое происходит образование продуктов сгорания. Сложность процесса испарения в камере ЖРД усугубляется тем, что здесь происходит одновременное испарение не одного компонента, а сложной смеси компонентов с различными физико-химическими свойствами. При этом процесс испарения должен закончиться за очень малый промежуток времени порядка 0,002...0,008 с.
Тепло, необходимое для испарения капель в камере ЖРД, подводится из зоны горения в первую очередь путем конвективной теплоотдачи от обратных токов горячих газов. Обратные токи возникают в результате эжектирующего действия струи впрыскиваемого топлива. Струя компонента увлекает за собой газы, находящиеся в полостях 3.1. Основные стадии проиессов смесеобразовании и варения топлив 81 Обратные 365 между струями. В образующиеся при этом зоны разрежения поступают новые порции горячих продуктов сгорания (рис. 3.4). Часть тепла подводится к каплям за счет радиационного теплообмена от ядра пламени. Кроме того, подвод тепла происходит также за счет горения, начинающегося в зоне испарения.
Скорость нагрева и испарения капель, а следовательно, и длина зоны испарения зависят от температуры окружающей среды, размера капель, величины относительной (к потоку газов) скорости р 3 4 В Рис. 3.4. Возникновение движениЯ капель, а также от химических и тепло- обратнь|х ков физических свойств вещества капли и газовой фазы. Повышение температуры среды ускоряет процесс испарения; повышение давления, наоборот, несколько замедляет его. Уменьшение размера капли и увеличение относительной скорости движения капли приводит к ускорению испарения.
Для иллюстрации влияния на процесс испарения размера, относительной скорости и свойств жидкости рассмотрим графики, представленные на рис. 3.5 — 3.7. На рис. 3.5 приведены графики изменения по длине камеры сгорания температуры капель гептана различного начального размера г„е. Мы видим, что с увеличением размера капель длина участка прогрева капли до температуры кипения растет.
Таким образом, для уменьшения зоны испарения желательно иметь более мелкий распыл. На рис. 3.6 показано изменение скорости движения капли ш„и газа то„по длине камеры сгорания. Скорость капли то„вначале замедляется, так как происходит торможение капли в среде газа, имеющего меньшую скорость то„. По мере испарения капли скорость то„растет и при Е„> 25 мм превышает скорость движения капли. Теперь уже поток газа увлекает за собой каплю, что приводит к увеличению ее скорости. При этом относительная скорость капли 455 ш, — ш„вначале растет. Однако по мере 75 120 испарения капли, в связи с уменьшением 50 размера капли и уменьшением вследствие этого влияния сил инерции на скорость гко=25 икм 320 то„, относительная скорость то„ вЂ” то, снова уменьшается. Количество испарившейся 0 2,5 5,0 2,5 Ю 2„, сы жИдКОСтИ Я„,„СНаЧада Раетст МЕДЛЕННО, Рис.3.5.
Нзмеиение температуры но в области высоких относительных капель гептана разннчного размера скоростей то„ вЂ” то, происходит сильный по длине камеры сгорания рост днев. 82 Глава 3. Смесеобразование и смесительная головка камеры ЖРД япсп % 100 м,м/с Т,К 200 455 80 60 !50 410 100 365 50 320 20 0 275 0 25 50 75 !00 125 150 175 В„, мм Рис.
3.6. Изменение параметров испаряющейся капли гептана и скоро- сти движения газа по длине камеры Т, К япсп 99 80 зоо 60 20 !О 0 1,0 2,0 3,0 4,0 /.и, см а 0,25 0,5 1,01,5 2,5 5 10 15 25 Еп, см Рнс. 3.7. Изменение Т, (а) и д„,„(б) капель различных компонентов: ! — гептан С,Нкя 2 — гидрааин ХгНд, 3 — аммиак ХНП 4 — кислород Оя 5 — фгор Рг Влияние физических свойств вещества капли на изменение температуры Т„ показано на рис. 3.7, а и на скорость испарения — на рис. 3.7, б. Мы видим, что капли низкокипящих компонентов 02 и Р2 достигают температуры кипения значительно быстрее, чем капли других компонентов. Соответственно, для испарения низкокипящих компонентов необходим меньший участок длины камеры сгорания. Сопоставляя графики 1 и 3 на рис.
3.7, б, заметим также, что скорость испарения зависит не только от температуры кипения, но и от теплоты фазового превращения жидкости в пар. При заданном давлении р„= 2 МПа температура кипения гептана (кривая 1) выше, чем температура кипения аммиака (кривая 3). Однако теплота испарения гептана 217 кДж/кг значительно ниже теплоты испарения аммиака 1125 кДж/кг, и вследствие этого полное испарение гептана происходит быстрее несмотря на более высокую температуру кипения. 3.1. Основные стадии процессов смесеобразования и горения топлив 83 Мы рассмотрели влияние различных факторов на испарение отдельной капли. В процессе испарения в камере сгорания ЖРД, как указывалось, имеет место одновременное испарение многокомпонентной смеси капель разных размеров.
При этом процесс испарения существенно осложняется по сравнению с процессом испарения единичных капель. Неравномерность распыления приводит в начале испарения к образованию большого количества паров за счет быстрого испарения мелких капель. Однако дальнейшее испарение оставшихся более крупных капель затягивается, и, в целом, полное время испарения смеси капель различного размера больше, чем время испарения совокупности капель среднего размера. Чем больше неравномерность распыления, тем больше увеличивается полное время испарения смеси капель.
При испарении капель многокомпонентных жидкостей, например растворов, что часто имеет место в ЖРД, по мере испарения в капле повышается концентрация более высококипящего компонента, что опять-таки может привести к затягиванию процесса испарения. Кроме неравномерности распыления и наличия многокомпонентных капель жидкости, на скорость протекания процесса испарения топлива при применении самовоспламеняющихся топлив влияет также наличие реакций в жидкой фазе, возникающих в зоне испарения. Выделяющееся при этом тепло может значительно ускорить процесс испарения. Смешение и горение В результате распыления и испарения образуются пары горючего и окислителя, из которых и получается горючая смесь. Смешение горючего и окислителя происходит как в жидкой, так и в паровой фазе. Наиболее желательный, но и очень трудно реализуемый в ЖРД способ смешения — образование однокомпонентного топлива или эмульсии путем полного предварительного смешения компонентов в жидкой фазе еще до поступления их в камеру сгорания.
Для ЖРД характерным является смешение компонентов в самой камере сгорания. Интенсивность смешения компонентов определяется турбулентной диффузией и конвективным переносом. Процесс смешения топливных компонентов в камере ЖРД начинается непосредственно с момента поступления их в камеру сгорания и заканчивается только по мере сгорания топлива. В зонах распыления и испарения происходит смешение части компонентов как в жидкой, так и в газовой фазе. За счет протекания химических реакций непосредственно в жидкой фазе (при самовоспламеняющихся компонентах), а также за счет интенсивного подвода тепла от фронта пламени (что также приводит к возникновению первых очагов горения еще в зоне испарения) процесс смешения в этих зонах значи- 84 Глава 3. Смесеобразование и смесительнал головка камеры ЖРД тельно интенсифицируется.
Однако вследствие неравномерности распыления и различной скорости испарения компонентов процесс смешения не заканчивается в этих зонах, а продолжается и дальше — в зоне смешения и горения. Следовательно, часть топлива поступает в эту зону после испарения и смешения в виде полностью подготовленной к сгоранию рабочей смеси, в которой уже частично начались химические реакции.
При горении этой части топлива и начинается образование фронта пламени. Остальное топливо (большая часть) поступает в зону смешения и горения, в основном, в испаренном, но еще недостаточно перемешанном для сгорания виде (возможно даже поступление отдельных жидких капель компонентов). Происходит дальнейшее смешение этой части топлива. За счет большой разности температур пламени и поступающих компонентов интенсивность смешения в этой зоне очень велика.
Одновременно в зоне смешения и горения происходит сгорание уже перемешанного топлива. Вследствие такого «параллельного» протекания процессов смешения и горения фронт пламени в камере сгорания ЖРД не является какой-то четко очерченной поверхностью, отделяющей подготовленную горючую смесь от продуктов сгорания. Ширина фронта пламени определяется тонкостью и однородностью распыления, испаряемостью компонентов топлива и интенсивностью турбулентной диффузии, определяющей, в свою очередь, скорость протекания процессов смешения, а также скоростью химических реакций. Процесс горения распыленного топлива может быть схематически разделен на два: смешение компонентов и протекание химических реакций. Скорость протекания реакции определяется температурой и энергией активации.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
