Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.Л. Теория ракетных двигателей. 1980 г. (1241533), страница 102
Текст из файла (страница 102)
39. 3. Сравнительно слабое изменение удельного импульса при варьировании соотношения указанных компонентов в диапазоне Й =5... 11 позволяет легко регулировать тягу двигателя без больших потерь | . На рис. 39. 4 приведена другая схема двигателя на твердо-жидком топливе. Она отличается от предыдущей схемы тем, что процесс горения протекает как реакция между твердым горючим и жидким, а не газообразным, окислителем, распыливаемым по каналу топливного заряда. При использовании зарядов горючего, содержащих металл и малое количество окислителя, тягу двигателя можно сравнительно просто регулировать в широких пределах с пойощью изменения расхода жидкого окислителя.
В камерах дожигания осуществляется горение при значении а„„, близком к единице, что обеспечивает высокий удельный импульс. В экспериментальных исследованиях подобных схем получен удельный импульс до 2550 — 2650 м/с. Стабильность горения сохраняется до очень низких давлений (р, порядка 0,5 МПа при перепаде давлений на форсунке около 0,1 МПа). Коэффициент камеры сгорания гр„ достигает 0,90 — 0,95. Общая компоновка системы позволяет добиться коэффициента массового совершенства конструкции двигательной установки а=0,1 ...
0,15. З9.4. РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ Основная проблема проектирования ракетного двигателя на гибридном топливе с точки зрения его внутрикамерных процессов состоит в расчете расхода твердого компонента в зависимости от координаты вдоль заряда, времени и расхода жидкого компонента. При этом важными являются вопросы протекания процесса разложения твердого компонента, зависимости этого процесса от гидродинамических, физико-химических и других факторов. Этот процесс влияет на габариты заряда, коэффициент объемного заполнения и количество несгоревших остатков. рр.4.
ь выгорхпвв твврдого компонента Горение в ГРД имеет гетерогенный характер соответственно гетерогенной природе топлива. Структура зоны горения зависит от физических и химических свойств компонентов топлива. На рис. 39. 5 показаны варианты структуры горящего заряда. Наиболее простая схема процесса — для топлива типа пластмассы, которое непосредственно переход~ит из твердого в газообразное состояние (см. рис. 39. 5, а). На рис. 39. 5, б показан случай, когда между исходной и окончательной фазами образуется промежуточная, а именно: горючее сначала превращается в /омоееноое Гегпероееноое п~оплийо жидкость, и пленка ее поД отоооиоо зрг„гу„осот воздействием потока дви- Гао— ью жется вдоль поверхности горения. На практике частицы горючего помещаются в пластическое вещество для получения необходимых механических свойств заряда. В за- Гаев а Газ .ж'и ооеогр о 484 висимости от скорости разррр.
рр~. врррвыты ~тррктррм гррр а р ррррэа ложеиия компонентов могут представиться следующие случаи. Если частички горючего разлагаются с той же скоростью, что и связка (см. рис. 39. 5, в, г), то получается приблвзительно такая же картина, как и в случаях а, б (если частички не слишком велики) Если же, напротив, время разложения частичек велико по сравнению со временем разложения связки (см.
Рис. 39, 5, д и е), то онн могут уноситься газовым потоком и сгорание их будет происходить уже в потоке. Частички горючего, например, алюмвния, бериллия или лития, могут выноситься из камеры. Модель горения должна давать возможность определять, если не значение местной скорости выгорания, то хоти бы качественную зависимость ее от тех или иных факторов. Для этой цели анализируются явления тепло- и массообмена в пограничном слое со вдувом химически активного вещества со стенки канала.
Химические реакции с участием этого вещества в основном протекают в пограничном слое, в результате чего область максимального тепловыделения располагается вблизи поверхности. Эта область представляет собой зону, размытую турбулентными пульсациями и постоянно увеличивающуюся вниз по каналу. Выше этой зоны (по нормали к стенке) наблюдается избыток продуктов ядра, ниже — избыток продуктов разложения стенки, хотя продукты ядра в результате турбулентного переноса оказываются и непосредственно у стенки. Постоянный расход активного вещества из ядра потока и разбавление его продуктами сгорания изменяют состав продуктов ядра, а развивающийся пограничный слой приводит к уменьшению толщины ядра, доводя его до нуля на расстоянии 20 — 30 калибров от входа в канал. Местная скорость разложения тпердого компонента определяется количеством тепла, подводимого ц стенке за счет коивективного и лучистого тепловых потоков из зойы максимального тепловыделения.
Характер протекания реакций в зоне горения при высоких давлениях определяется в основном взаимодиффузией химически активных продуктов из ядра и от стенки. При низких давлениях лимитирующим, процессом может стать кинетика химических реакций. Схема процесса горения в потоке газов, омывающих поверхность горючего, представлена на рис. 39. 6, а. Диффузионное пламя начинается,в пограничном,слое, оио делит его на две части.
Пер- Ряс. 99.6. Схема горения твердого горюеего в потоке окнслнтеляг а — ~азообразного; б — жидиого; ! †диФФузианиое племя: Я вЂ” ареиица пограиивиаго слоя: 5— траектории напела; 4- зона гетерогенного горения 5 †зо реакции между каплей окислителя и твердом горюеим ЫЫ вая часть располагается вблизи поверхности топлива, оиа обогащена горючим и содержит газообразные. продукты сгорания. Вторая часть, расположенная над диффузионным пламенем, состоит из газообразного окислителя и одновремеиносодержит продукты сгорания.
В зависимости от числа Рейнольдса и возмущений на входе в канал пограничный слой может быть ламинарным нли турбулентным. Диффузионное пламя расположено близко от поверхности топлива, и удаление его составляет 1Π— 20та от местной толщины пограничного слоя. Если окислитель вносится в каплеобразном виде и капли приходят в соприкосновение с поверхностью заряда, то процесс горения усложняется 1см. рис. 39. 6, б): при контакте непосредственно происходит самовоспламенение, затем развивается экзотермическая реакция, в результате которой испаряется некоторая часть горючего и окислителя, так что вблизи поверхности топлива протекает гетерогенное горение. Капельки окислителя частично испаряются уже при пересечении пограничного слоя, поэтому, кроме гетерогенного горения вблизи поверхности, дополнительно образуется диффузионное пламя.
Аналитические модели, разработанные для описания процесса выгораиия горючего в ГРД, позволяют качественно объяснить зависимость скорости выгораиия от тех или иных факторов. Нз этой основе может быть определен вид эмпирических формул для описания экспериментально найденных закономерностей. Скорость выгорания в ГРД зависит от следующих основных факторов: от химического состава и природы горючего и окислителя; от массовой плотности потока газообразных продуктов над поверхностью горения; от давления в камере сгорания; от геометрии канала, организации подачи окислителя н характера течения в канале. Не останавливаясь на рассмотрении отдельных отмеченных факторов, заметим, что для конкретного топлива при определенной конструкции в большинстве случаев основное влияние на скорость выгорання оказывает массовая плотность потока (ош) продуктов в канале заряда.
При слабо изменяющемся соотношении компонентов и при большом значении Ф это равносильно зависимости от ;расхода окислителя. Влияние давления при достаточно высоких р„ обычно невелико и сказывается в основном через изменение плотгности газа, т, е. через р. Некоторое влияние иа скорость горения оказывает температура продуктов сгорания.
Для конкретного топлива это означает зависимость от соотношения компонентов, которую иногда выражают как зависимость от комплекса р. В общем случае зависимость скорости выгорания от параметров работы двигателя записывается так: и= а — '" р,"'р"', (39. 1) где Г'„— площадь канала заряда. здесь коэффициенты а, Уч, чи чз определяются экспериментально. Если зависимость от р, и р слабая, то формула (39. 1) приобретает следующий вид: и=а (т,„/Р„)"', (39. 2) или в случае явного учета значительного увеличения расхода вдоль канала при выгорании горючего и=т (йи)". ВВ 4.
и ВОзможности РВГулиРОВАния ГРд Регулируемым параметром ГРД является расход жидкого компонента. Оценим возможности регулирования для ' схемы жидкий окислитель+ твердое горючее. В процессе работы двигателя по мере выгорания горючего площадь канала увеличивается; следовательно, при постоянном расходе окислителя уменьшаются величина ЭГР и скорость выгорания твердого компонента.
Для поддержания постоянного, наиболее выгодного соотношения компонентов поверхность горения должна соответствукнцим образом увеличиваться. Если показатель и1 в законе скорости выгорания равен 0,5, то круглый цилиндрический капал обеспечивает поддержание постоянного соотношения компонентов при разгаре. Действительно, если г„— радиу» канала, то при лт „=сонэ( скорость выгорания пропорциональна вЬиичине Умножая скорость выгорания на поверхность'горения И р — — Е.2пг„, получим расход горючего 1 — э, т =А,г, где А1 — константа. Таким образом, при ч~=0,5 расход горючего и соотношение' компонентов остаются постоянными по мере разгара цилиндрического канала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
