Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели, 2005 г. (1240835), страница 14
Текст из файла (страница 14)
При низких температурах скорость химической реакции относительно невелика и меньше скорости смешения компонентов. Скорость протекания процесса горения, в целом, при этом определяется скоростью химических реакций. Такой режим, при котором скорость процесса лимитируется скоростью химической реакции, называется кинетическим, или проиессом воспламенения. Одной из важных характеристик этого процесса является период индукции воспламенения т„, который может быть определен как время от начала взаимодействия окислителя и горючего до момента появления видимого пламени.
В камере сгорания ЖРД кинетический режим может иметь место только в самом начале зоны смешения и горения, где температура еще сравнительно невелика. Ограничим зту область зоны смешения и горения сечением и — п (см. рис. 3.2) и назовем ее областью воспламенения. За сечением п — п температура резко увеличивается и стадия воспламенения компонентов топлива переходит в горение. Поскольку химические реакции протекают практически 3.!. Основные стадии процессов счесеоброзовония и горения топлив 85 мгновенно, то скорость процесса горения определяется скоростью диффузии окислителя к капле горючего.
Такой режим, при котором скорость процесса горения лимитируется скоростью процесса смешения, называется диффузионным горением. Поэтому область, находящаяся за сечением и — и, будем называть областью диффузионного горения. В камере сгорания ЖРД область воспламенения очень невелика и решающую роль играет диффузионное горение. Поэтому часто предполагается, что в камере ЖРД имеет место диффузионное горение. На рис. 3.2 график изменения количества сгоревшего топлива (зависимосп 5) по длине камеры сгорания не доходит до значения т;/т =1. Очевидно, что величина т;/и определяет степень физической полноты сгорания. Соответственно, разность 1 — т;/и характеризует неполноту сгорания. Для ЖРД коэффициент полноты сгорания <р,„находится в диапазоне 0,95...0,99.
Кривая преобразования и время пребывания топлива Степень полноты преобразования топлива в продукты сгорания принято оценивать изменением коэффициента полноты сгорания по длине камеры сгорания или по времени, прошедшему с момента поступления компонентов в камеру. Кривая, характеризующая изменение коэффициента полноты сгорания по длине камеры или по времени, называется кривой преобразования (кривой выгорания) топлива.
Иногда кривую преобразования строят в виде графика изменения температуры или удельного объема смеси компонентов (топлива или продуктов сгорания) по длине камеры или по времени. Пример кривой преобразования показан на рис. 3.8, а„где приведена типичная качественная зависимость изменения удельного объема продуктов сгорания по длине камеры сгорания. Удельный объем п„соответствует расчетному удельному объему при полном сгорании.
Кривая преобразования не доходит до значения пт что является следствием неполноты сгорания. В пределах допустимой неполноты сгорания точка 2 соответствует завершению процесса преобразования. На рис. 3.8, б приведена кривая преобразования, показывающая изменение удельного объема по времени. Время т„р, прошедшее с момента поступления топлива в камеру сгорания до завершения процесса преобразования, называется временем преобразования. Очевидно, что объем камеры сгорания должен быть таким, чтобы время пребывания поступивших компонентов было равно времени преобразования. При меньшем объеме ухудшится полнота сгорания, увеличение же объема нецелесообразно, так как это приведет к увеличению габаритов и массы камеры сгорания без существенного улучшения полноты сгорания. 86 Глава 3.
Смеееобразование и смесительнал головка камеры ЖРД Рис. 3.8. Кривые преобразования топлива: а — по длине камеры; б — по времени Время пребывания в камере топлива и продуктов сгорания находим по формуле т„= (3.1) лгоср где 1г„— объем камеры сгорания, йг — расход топлива, п,р — средний удельный объем топлива и продуктов сгорания. Если время преобразования равно времени пребывания, величину среднего удельного объема можно определить как среднее за время пребывания, т.
е. ~мт 0 ср тк (3.2) Поскольку величину п,р определить сразу трудно, то для оценки времени пребывания обычно используют некоторое условное время пребывания, отнесенное к удельному объему продуктов полного сгорания п„(при данном соотношении компонентов): 1г тел игпи (3.3) Для упрощения анализа часто кривую преобразования условно заменяют ломаной аЬсН (рис. 3.8, б), т. е.
принимают, что процесс преобразования происходит мгновенно в момент т„. Место положения вертикальной линии мгновенного преобразования Ьс определяется из условия равенства площади под кривой преобразования 1 — 2 и площади под участком сИ. При этом время преобразования разбивается на два слагаемых: (3.4) тлр = тн+ тг, 3.1.
Основные стадии процессов счесеобразования и горения 'топлив 87 где т„— период индукции воспламенения. Время тз согласно условию по- строения ломаной аЬсЫ определяется из уравнения к„р окт2» о (3.5) откуда по формуле (3.2), полагая тк = т„р, имеем ~ср тз = — т„р. ок (3.6) Сопоставляя выражения (3.6), (3.1) и (3.3), получим т2 = т,. Подставляя тз = ту,„в выражение (3.4), получим ~к тк + туся~ (3.7) т.
е. время пребывания в камере сгорания можно представить как сумму времени индукции воспламенения и условного времени пребывания. Период индукции воспламенения тк зависит от рода топлива, конструктивных параметров смесительных устройств и от параметров работы камеры сгорания. При работе камеры ЖРД на установившемся режиме величина т„определяется в первую очередь температурой в камере сгорания, а также условиями распыления и теплоподвода к впрыскиваемому топливу.
Величина условного времени пребывания т„„в полтора-два раза меньше действительного. Для камер ЖРД величина т„„находится в пределах 0,0015...0,005 с. Условное время пребывания (или просто время пребывания) является важным параметром камеры сгорания и используется для определения ее объема (см. 8 5.2). Процесс преобразования компонентов топлива в камере сгорания ЖРД характеризуется интенсивным тепловыделением. Теплонапряженность объема камеры сгорания ЖРД в 100 раз выше теплонапряженности топки парового котла и в 10 раз выше теплонапряженности камеры воздушно-реактивных двигателей (ВРД). Поэтому в камере сгорания ЖРД имеет место интенсивный теплоподвод к поступающему топливу, что приводит к значительному сокращению времени испарения и всего времени смесеобразования и обеспечивает быстрое испарение даже сравнительно крупных капель топлива.
В связи с этим тонкость распыления в ЖРД имеет меньшее влияние на полноту преоразования, чем в обычных тепловых машинах. Это позволяет производить распыление топлива при сравнительно небольших перепадах давления на форсунках: 0,3...1,5 МПа против 5...10 МПа в ВРД и 20...100 МПа в дизелях. Уменьшение перепада давления на форсунках до 0,3...1,5 МПа позволяет уменьшить потребную мощность, а следовательно, и массу системы подачи. 88 Глава 3. Смесеобразование и смесительнал головка камеры ЖРД 3.2.
Струйные форсунки Подача топлива в камеру сгорания осуществляется с помощью форсунок. Основное требование к форсункам — обеспечить по возможности более тонкий и однородный распыл топлива при достаточно малом перепаде давления на форсунке. Обычно в ЖРД выделяют два основных вида форсунок: струйные и центробежные. Имеются также случаи применения щелевых форсунок„которые можно рассматривать как разновидность струйных форсунок, имеющих не круглую, а щелевидную форму выходного отверстия. Возможны применения форсунок, сочетающих в себе оба вида форсунок.
Струйная форсунка представляет собой отверстие в головке камеры двигателя, сообщающее полость горючего или окислителя с внутренним объемом камеры сгорания. Схематически различные виды струйных форсунок показаны на рис. 3.9. Основными достоинствами струйных форсунок являются, во-первых, простота выполнения и, во-вторых, большая пропускная способность головки со струйными форсунками. Пропускной способностью головки будем называть количество топлива, подаваемое через единицу поверхности днища головки при заданном перепаде давления. Струйная форсунка меньше центробежной.
Это позволяет разместить на единице поверхности головки большее число струйных форсунок. Кроме того, коэффициент расхода струйных форсунок в 2,5 — 3 раза больше коэффициента расхода центробежных форсунок. В результате при одном и том же перепаде давления струйные форсунки позволяют обеспечить больший расход компонентов топлива, проходящего через единицу поверхности днища головки, т.
е. имеют большую пропускную способность. Однако крупным не- 1 1 А — А Рис. 3.9. Струйные форсункн: 1 — кана~ы для подвода компонентов; 1 — концентрические кольцевые каналы 3.2. Струйные фореуннн Расчет струйных форсунок Струйные форсунки рассчитываются следующим образом. Как известно, теоретическая скорость истечения несжимаемой жидкости из отверстия вычисляется по формуле (3.8) где Ьрф = (рф — р„) — перепад давления, р — плотность жидкости. Расход жидкости, проходящей через форсунку, определяется по уравнению расхода (3.9) щф = Рфшгерн, где Е, — площадь поперечного сечения отверстия форсунки; рф — коэффициент расхода, учитывающий сужение струи и уменьшение действительной скорости течения по сравнению с теоретической.
Подставляя в уравнение (3.9) значение и> из равенства (3.8), получим е~ = р~Р;,/2ь ~р„, (3.10) откуда достатком струйных форсунок является их относительно большая дальнобойность и малый угол распыления (10...20'); дисперсность распыления струйных форсунок меньше, чем центробежных.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
