Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели, 2005 г. (1240835), страница 20

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 20)

Двухкомпонентные форсунки могут быть размещены по любой схеме, необходимо только учитывать возможность возникновения неустойчивого горения, а также защиту головки от прогара. Для обеспечения условий, наименее способствующих возникновению неустойчивого горения, как одно-, так и двухкомпонентные форсунки иногда размещают в порядке, представляющем собой различные комбинации приведенных выше схем расположения форсунок, а также стремятся несколько растянуть процесс горения по длине камеры сгорания.

В конце камеры желательно существование гетерогенной зоны„которая демпфирует, насколько это возможно, продольную высокочастотную неустойчивость горения. Это достигается определенным чередованием форсунок с различными расходами и углами распыления (т. е. дальнобойностью). Для защиты стенок камеры сгорания от прогара создается защитный пристеночный слой с избытком горючего, имеющий вследствие этого более низкую температуру, чем ядро потока. Следует отметить, что пристеночный слой с большим избытком окислителя также имел бы температуру ниже температуры ядра потока и, по-видимому, являлся бы вполне удовлетворительным защитным слоем, однако опасность возникновения местных очагов горения у стенки в окислительной среде и прогара стенок вследствие окисления металла приводит к тому, что обычно создается пристеночный слой, обогащенный горючим.

Для этого на головке либо устанавливается специальный периферийный пояс форсунок горючего, как показано на рис. 3.29, либо крайние форсунки окислителя заменяются форсунками горючего. 124 Глава 3. Смесеобразование и емееительная головка камеры ЖРД Периферийные форсунки горючего обычно делают более дальнобойными и с меньшим расходом, чем основные форсунки. Шаг между периферийными («защитными») форсунками и их местоположение подбирают так, чтобы обеспечить равномерную толщину пристеночного слоя по периметру камеры.

Местное увеличение толщины пристеночного слоя приведет только к увеличению потерь удельного импульса, не улучшая защиты стенок. В то же время не следует допускать чрезмерного утоньшения защитного пристеночного слоя или пробоя его струями окислителя. При размещении форсунок необходимо также обеспечить и защиту самой головки от прогара, который может явиться результатом большого теплоподвода от ядра пламени. С этой точки зрения зоны распыления и испарения являются зонами, защищающими головку от больших тепловых потоков, однако при большом расстоянии между форсунками могут оказаться участки поверхности головки, не защищенные в достаточной мере от воздействия обратных токов горячих продуктов сгорания, что может привести к прогару головки.

Такая опасность возникает при применении двухкомпонентных форсунок, у которых фронт пламени располагается ближе к головке. При установке центробежных форсунок наименьшее расстояние между форсунками обычно определяют, учитывая размеры самой форсунки, а также соображения прочности головки, ослабляемой сверлениями под форсунки. Оно находится в пределах 12...30 мм. На таких же расстояниях размещают струйные форсунки. Расходы через однокомпонентную форсунку находятся в пределах 30...300 г/с, а для периферийных форсунок могут быть меньше; расходы через двухкомпонентную форсунку могут доходить до 2,5... 3 кг/с. Топливо подводится к форсункам либо по специальным каналам (см. рис.

3.24, б), либо путем образования в головке различных полостей горючего и окислителя (см. рис. 3.24, а, в, г), обеспечивающих примерно одинаковый перепад давления на всех форсунках. Головки с подачей компонентов по каналам более сложны конструктивно и обычно более тяжелы, чем головки с раздельными полостями. В нижнюю полость обычно подают компонент, охлаждающий камеру сгорания. Крепление форсунок.

Если форсунки выполнены в виде отдельных конструктивных узлов, наиболее распространенным способом их крепления является пайка. Применяют также резьбовое соединение и развальцовку. Размещение на головке различных дополнительных устройств (запальника, устройства для продувки и т. д.) нежелательно, так как они отнимают полезную площадь для размещения форсунок, нарушают равномерность распределения топлива по сечению; кроме того, место установки этих устройств хуже защищено от тепловых потоков, и поэтому возникает опасность прогара головки. З.б. Влияние конструкции головки на смесеобразование и удельный имнульс 125 3.6. Влияние конструкции головки на смесеобразование и удельный импульс Исследование работы ЖРД показало, что качество процесса смесеобразования и удельный импульс зависят от конструкции головки, ее формы, расположения и типа форсунок.

Расположение форсунок влияет также на условия горения и теплообмен в камере ЖРД. Рассмотрим некоторые расчетные схемы, позволяющие провести количественную оценку влияния расположения форсунок на протекание процессов перемешивания компонентов и на параметры ЖРД [21. Качественная картина процесса смесеобразования в камере ЖРД После поступления в камеру сгорания окислитель и горючее перемешиваются как в жидком, так и в газообразном состояниях. Одним из основных факторов, обусловливающих перемешивание компонентов, является взаимное расположение форсунок окислителя и горючего. После выхода окислителя и горючего из форсунки происходит соударение капель компонентов и слияние их, а также частичное взаимное проникновение факелов распыления, способствующее перемешиванию компонентов вблизи головки.

Наиболее полное перемешивание имеет место при применении форсунок с пересекающимися струями, однако и при параллельных осях форсунок в результате встречи конусов распыления на некотором расстоянии от головки также имеет место перемешивание и слияние капель. Рассмотрим для примера, как происходит перемешивание капель компонентов, подаваемых центробежными форсунками. Предположим, что форсунки горючего и окислителя чередуются, как показано на рис. 3.30. При пересечении конусов распыления компонентов в точке А часть компонентов сливается в один пучок, а часть взаимопроникает через конус распыления и продолжает двигаться в прежнем направлении.

Степень «проннцаемости» компонентов зависит от расстояния между форсунками. С увеличением расстояния между форсунками степень проницаемости увеличивается. Однако при малых расстояниях можно считать факелы непроницаемыми. Поэтому полагаем, что при первом пересечении конусов распыла в точке А происходит слияние компонентов О и Г в один пучок АВ с очень незначительным проникновением, приводящим только к некоторому расширению пучка. Направление пучка АВ определяется количествами движения окислителя и горючего. Если количество движения окислителя больше, то пучок отклоняется в сторону форсунки Г и в точке В происходит вторичное пересечение уже пучков 126 Глава 3.

Смесеобразование и смесиглельная головка камеры ЖРД О Г О Г О Г О !- О Г О Г О ! !- ! ! 1 ! ! $! 1В в! вм н!н /!н! ! ! !! ! !!!!! С ''''С ! ! ! ! ! 1В ьь ль! /!!$! !!н! ! ! !! ! ! ! !! ! С''' С а ! ! ! ! ! 1В !ь ви ин! (>нъ (!!!! !!!! С''' С Рнс. 3.30. Схемы перемешнвання капель компонентов: а — количество движения окислителя больше, чем горючего; б — количества дви- жения окислителя и горючего равны компонентов.

При этом образуется факел смеси компонентов, ограниченный лучами ВС (рис. 3.30, а). При равенстве количеств движения компонентов направление пучка после пересечения в точке А остается осевым (рис. 3.30, б). Таким образом, в результате перемешивания струй компонентов, вытекающих из центробежных форсунок, происходит слияние и частичное взаимное проникновение капель. При этом в зависимости от количества движения компонентов струи пересекаются в одном (точка А) или двух сечениях камеры сгорания (точки А и В). И в том и другом случаях по поперечному сечению камеры область взаимного влияния струй при перемешивании капель в основном ограничивается шагом между форсунками, и на больших расстояниях от оси форсунки влияние данной форсунки на перемешивание невелико. Следовательно, если расположение форсунок на головке с самого начала не обеспечивает равномерного по сечению камеры соотношения компонентов, то перемешивание капель эту неравномерность будет сглаживать только в пределах шага между форсунками.

Вторым фактором, способствующим перемешиванию компонентов, являются турбулентность и скоростная неравновесность потока. При этом на интенсивность сопутствующих процессов влияет: а) разность скоростей капель и газа; б) отток газов, образующихся при испарении капли, нормально к ее поверхности; в) неравномерность расходонапряженности по сечению камеры; г) разность скоростей испарения капель компонентов. Рассмотрим влияние каждой из этих причин на перемешивание. Как отмечалось выше, непосредственно у головки начинается испарение капель за счет конвективного и радиационного теплообмена с зонами обратных токов 3.6.

Влияние консжрукиии головки на смесеобразование и удельный импульс 127 и интенсивных химических реакций соответственно (см. рис. 3.4). Пока образующегося в результате испарения газа еще мало„скорость капли ш„больше скорости газа ш„. По мере испарения капель скорость газа растет и в каком-то сечении камеры скорости выравниваются, т. е. ш„= ш„(точка М на рис. 3.6). Количество испарившихся компонентов при этом достигает !0...35 вгь от общего количества. При дальнейшем движении потока скорость капли отстает от скорости газа, соответственно и скорость газа, находящегося непосредственно около капли (или газа около образовавшихся пучков капель), также отстает от скорости основного потока газа и„. Разность скоростей способствует перемешиванию газа, окружающего каплю (или пучок), с основным потоком газа, который характеризуется развитой турбулентностью.

Перемешивание' газа в результате указанных причин происходит в основном на расстояниях порядка шага О между форсунками. Влияние этого перемешивания можно учесть, выбрав соответствующий закон распределения компонентов вокруг оси форсунки. При перемешивании газа в силу неравномерности распределения расходонапряженности а имеет место перетекание газов на расстояния порядка радиуса камеры, так как даже после выравнивания а на расстояниях от оси пучка, равных шагу между форсунками, неравномерность д„по всему сечению камеры остается. При этом газ перетекает к участкам, в которых расходонапряженность г) меньше.

Характеристики

Список файлов домашнего задания