Синярев Г.Б., Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. Теория и проектирование, 1957 г. (1240838), страница 66
Текст из файла (страница 66)
$45. ПРОЦЕСС СГОРАНИЯ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ЖРД Особенности процесса сгорания в камере сгорания ЖРД Процесс сгорания в камере сгорания ЖРД существенно отличается от протекания его:в камерах и топках других тепловых машин. Основными особенностями, отличающими 'камеру сгорания ЖРД от камер сгорания других тепловых машин, являются следующие. П ерзая особенность процесса сгорания в камере ЖРД вЂ” высокая тепловая напряженность объема камеры сгорания.
Тепловая напряженность (теплонапряженность) объема камеры сгорания или топки измеряется количеством тепла, выделяющимся в единице объема в единицу временн. Обычно теплонапряженность обозначают буквой с1 и выражают в размерности ккал(мзчас. В ЖРД ее более удобно выражать и ккал(л сек. Очевидно, что У ккал1л сек = —.10 Чl ккал(м' час. (ЧШ.1) 1 3,6 348 В табл. 27 приведены значения теплонапряошенности н давления для топок и камер сгорания различных тепловых машин.
Из таблигды видно, что теплонапряженность объема камеры сгорания ЖРД в сотни раз выше, чем у других тепловых машин. Такое большое выделение тепла в единице объема предъявляет особые требования к организации процесса сгорания и смесеобразования . жРД. Таблица 27 Теплонапряженность объема сгорания различных тепловых машин Теплонапряженность Давление р кг!смг Наименование тепловой машины и ' и ккал/манас икал!лсек (0,3 —;0,6) 1Ов 0,0835 — 0,167 Топка стационарной котельной уста- новки форсированный трубчатый котел (1 —:3,5) 10в 0,278 — '0,945 (80 120) 1Ов 22 2 33 3 (1,3 †' 7) 10в 500 †: 1700 1 —:4,5 3 —,4 Камера сгорания ВРД 15 —:50 Камера сгорания ЖРД 349 Втор а я особ си н ость работы камеры сгорания ))(РД состоит в том, что сгорание в камере ЖРД протекает при высоких давлениях.
Из табл. 27 видно, что в камере сгорания современных ЖРД давление достигает значительных величин: порядка 15 — 5О кг/смв и более, чего нет в камерах воздушно-реактивных двигателей. Высокие температуры и давления в камере двигателя предъявляют особые требования к жаропрочности материала, из которого она сделана, и к охлаждению ее, так как при этих условиях возникают очень высокие тепловые потоки в стенки камеры. Т р еть я особ е~н ность работы камеры сгорания ЖРД— малое время пребывания т топлива в камере. Под временем пребывания топлива в камере двигателя понимается средняя величина времени, в течение которого топливо и образовавшиеся из него продукты егора~пня находятся в камере, В ЖРД время пребывания топлива в камере сгорания является наименьшим по сравнению с другими тепловыми машинами.
Естественно, что для наиболее полного сгорания в малое время необходимо обеспечить очень хорошее смешение компонентов топлива. 'Ри кап л =:-. маппиаа абрианрге токи Р т Фиг. 122. Вихревые токи газа у головки камеры. и 1 2 з Фиг. 121. Схема протекания процессов в камере двигателя. о, — — относительное количество распыленного или о испаренного, или смешанного, или прореагнровавгпего топлива.
нах, подводится к каппям топлива тремя путямв: за счет сильной Радиации от ядРа потока, непосредственно в виде тепла, выделяемого при реакции, и~ за счет обратных вихревых потоков газа, которые имеют место у головки (фиг. 122). Эти обратные токи газа приносят с собой ббльшую часть тепла, Третья зона (2 — 3, см. фиг. 121) — зона сгорания. В этой зоне и протекает сам процесс сгорания. В конце третьей зоны в газовой смеси продуктов сгорания устанавливается термодннамическое равновесие. Участок (3 — 4) уже относится к соплу двигателя.
В первой части этой зоны (до сечения т — т) скорость химических реакций еще мала, поэтому выгоранве топлива определяется их Схема протекания процесса сгорания По протеканию процесса сгорания камеру сгорания ЖРД можно раэбипь на три зоны по длине ее (фиг. 121). Первая зона (Π— 1) — зона распыливания компонентов топлива. Она расположена в непосредственной близости к форсункам. Длина этой зоны определяется конструкцией головки камеры сгорания н типом форсунок (см. $49). Для простых струйных форсунок эта зона имеет большую длину, чем для центробежных форсунок.
Вторая зона (1 — 2) — зона подогрева, испарения и смешения топлива. В ней происходит подогрев, иопарение и сме- 1 шеиие компонентов топлива, частично начинается сгора- 1 ! ние. Тепло, необходимое для О 1 2 3 подогрева и испарения топ- лива в первой и второй зо- на скоростью. Эта часть зоны называется областью кинетического горения. Рост температуры приводит к резкому возрастанию скорости химических реакций, причем начиная с некоторого значения температуры все то топливо, которое оказалось смешанным, сгорает практически мгновенно, Здесь уже скорость горения зависит от скорости смешения компонентов, которая определяется скоростью турбулентной диффузии.
Поэтому эта часть зоны называется областью диффузионного горения. В ЖРД.процесс горения протекает преимущественно в диффузионной области, так что время, необходимое для полного сгорания топлива, определяется в основном скоростью смешения компонентов. Совершенство камеры сгорания определяется коэффициентом камеры ~Р„, оценивающим физическую неполноту сгорания. Основными факторами, влияющими на 'полноту сгорания, являются: во-первых, качество раопыла и смесеобразования топлива.
Оно определяется типом и расположением форсунок в головке камеры, а также формой головки и камеры сгорания. Чем хуже:распыл и смесеобразование топлива, тем больше необходимо времени для полного протекания химической реакции, т. е. для полного сгорания; во-вторых, время, которое может быть отведено для протекания химических реакций сгорания. Оно определяется скоростью газа в камере сгорания, используемым для процессов сгорания объемом камеры сгорания, а также давлением и температурой. Известное влияние на полноту сгорания оказывают также физико-химические свойства топлива.
й 46. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕМА КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ЖРД В настоящее время нет способа расчета объема камеры сгорания, учитывающего действвгельно происходящие в ней физические и химические явления, поэтому объем камеры сгорания определяют по следующим критериям: 1) времени пребывания топлива в камере сгорания; 2) приведенной длине камеры сгорания; 3) теплонапряженности объема камеры сгорания; 4) литровой тяге двигателя. Рассмотрим расчет камеры сгорания по каждому из этих критериев. Определение объема камеры сгорания по времени пребывания топлива в камере В 5 45 было показано, что основным фактором, влияющим на полноту сгорания топлива при данном смесеобразовании, является время его пребывания в камере сгорания.
Поэтому и расчет объема камеры сгорания наиболее правильно производить, используя эту величину. Истинное время пребывания топлива и его продуктов сгорания в камере можно вычислить по следующему соотношению. 351 сек., оеср где 6 — расход топлива в кг/еек; о„ вЂ” некоторый средний удельный объем продуктов в камере сгораниями в м'/кг. Очевидно, что Оп„есть объем газа, образующегося в камере сгорания в единицу времени $'„,. Средний удельный объем о„ больше, чем удельный объем жидкого топлива, и меньше, чем удельный объем продуктов сгорания оь Так как точное определение среднего удельного объема о„в настоящее время невозможно, то при расчетах камер сгорания истинное время пребывания т' заменяется условной величиной -., которая рассчитывается по формуле (НП1.
2), если в ней средний удельный объем и заменить величиной удельного объема продуктов сгоранияя о,, который определяется из теплового расчета двигателя, Так как величина пз) е.„то рассчитанное таким образом т будет меньше истинного времени пребывания топлива н продуктов сгорания в камере. Однако величина т и истинное время пребывания находятся между собой в определенном соотношении. Поэтому величина т и используется для расчета объема камеры сгорания. Найдем выражение для времени пребывания х, заменяя величи.ну о„через пь Применяя уравнение состояния к образующемуся в камере сгорания газу, получим рзН,„= аВ,Т„ (НП1. 3) (Н11!. 2) откуда рг (Н1!1. 4) где Рх в кгмркг'С и Т, в 'абс.— газоваЯ постоЯннаЯ и темпеРатУРа продуктов сгорания в камере, которые находятся из теплового расчета; рт — давление в камере сгорания в кг(мз. Подставляя значение бо, из уравнения (НП!.
4) в уравнение (НП1. 2), получаем Ук ар.,т,р" (Н11!. 5) откуда тыртТ, рз (Н!П. 6) 352 Известно, что комплекс параметров "" р для данного топлива ' является величиной постоянной. Следовательно, для данного ЖРЛ с неизменным !я, величина р' также практически постоянна. о Рассматривая выражение (ЧП1. 5) и пренебрегая нееначитель. ным изменением от давления произведения гсзТз, мы видим, что для данного топлива и двигателя данной конструкции время пребывания т не зависит от расхода топлива 6, так как при постоянном критическом сечении давление в камере рз пропорционально секундно- 6 му расходу и отнотпенне — остается постоянным.
В таком случае ч Рз зависит только от рода применяемого топлива. Для различных топлив необходи~мое " имеет различное значение и должно определяться экспериментально. Для расчетов можно задаваться величиной с =0,003 — 0,005 сек. Определение объема камеры сгорания по приведенной длине камеры Прмаеденной длиной камере( сгорания называется величина (ЧШ. 7) Укр где )ио — площадь критического сечения камеры сгорания в мз. Из формулы (ЧП1. 7) )г — Р .~ мз (ЧП1.
8) или в литрах К~ — — 10з Д, („л. (ЧП1. 9) Значения 1„для ЖРД различны в зависимости от применяемого топлива и колеблются в пределах от 1! 00 до 4000 мм. В табл. 28 даны величины приведенной длины камеры сгорания для некоторых двигателей. Топливо Наименование двигателя Гир в мм Жидкий кислород+спирт (иесамовоспламеняющееся) Азотная кислота+тонка-250 (самовоспламеняющееся) Меланж М-1О (93м НХОз+10то Н,ЗОл)+оптолин 341 То же Газообразный кислород лметиловый спирт (иесамовоспламеияющееся) .Шметтерлинг' ,Вассерфаль 2540 ,Тайфун" „Шлолддинг" 935 2320 23 Г.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
