Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.Л. Теория ракетных двигателей. 1980 г. (1241533), страница 51
Текст из файла (страница 51)
СМЕШЕНИЕ КОМПОНЕНТОВ Перемешивание окислителя и горючего в нужном соотношении является необходимым фактором достижения наибольшей эффективности горения. Характеристики распределения расходонапряженностн тя и массового соотношения компонентов Й по поперечному сечению камеры сгорания определяются типом и схемой расположения форсунок (отверстий) на головке, параметрами факела распыла (расход через форсунку, угол распыла, дальнобойность и др.) отдельных форсунок. Определяющее значение имеет равномерное распределение соотношения и расхода компонентов топлива по площади смесительной головки. При этом следует иметь в виду, что неравномерности по соотношению компонентов, масштаб которых превосходит шаг между форсунками, не выравниваются на длине камеры сгорания и приводят к неполному сгоранию топлива.
Элементарным смесителем является наименьшая группа форсунок (отверстий), служащая для смешения окислителя н горючего в заданном соотношении. Простейшим случаем элементарного смесителя является двухкомпонентная форсунка. Совершенство работы головки во многом зависит от работы эле ментарного смесителя. Важным является и порядок размещенш элементарных смесителей на головке, в значительной мере опреде ляющий закономерности смешения. Обычно стремятся к равномерному размещению смесителей на головке.
Однокомпонентные форсунки располагают в сотовом или шахматном порядке, как правило, с переходом к размещению на концентрических окружностях на периферии, двухкомпонентные — на концентрических окружностях. Во избежание потерь удельного импульса соотношение компонентов по всей площади головки и, в том числе вблизи стенок, желательно сохранить постоянным. Тепловая защита стенок в этом случае обеспечивается рациональной организацией внешнего охлаждения и системой поясов завес. Если эти меры оказываются недостаточными, для обеспечения тепловой защиты стенок практикуется снижение соотношения компонентов а периферийной зоне смесительной головки. На одной и той же смесительной головке могут применяться форсунки различных типов (струйные, центробежные, струйно-центробежные).
Параметры форсунок, входящих в элементарный смеситель, подбирают таким образом, чтобы в итоге добиться высокой полноты сгорания при гарантированной устойчивости рабочего процесса. В зависимости от агрегатного состояния подаваемых компонентов (жидкость — жидкость, газ — жидкость, газ — газ) механизмы их смешения несколько отличаются, однако во всех случаях горе- 241 ние носит диффузионный характер, 'при котором полнота преобразования топлива в продукты сгорания определяется в основном завершенностью процессов турбулентной и молекулярной диффузии. Особенностью смесеобразования в газогенераторе является необходимость организации этого процесса при существенном избытке одного из компонентов.
В этом случае целесообразно рассредоточение процессов горения и смешения компонентов по длине газогенератора, например, за счет применения струйно-центробежных форсунок, либо многозонного подвода избыточного компонента. На рис. 18.13 штриховой линией изображена равномерная эпюра соотношения компонентов Й по поперечному сечению камеры. При повторении такой картины на любом диаметре камеры сгорания распределение соотношения компо- Ы к нентов топлива является идеальным в смысле достижения рнс. 16.1з„пролелзпыр разрез впыр Распреле- высокой полноты сГорания.
ленин л по поперечнеыу сечению каыеры сзорвппн: Для снижения температуры га— — — теоретических; — леассеителзлых; За у Стенпк Каыерм дпя ИХ зал — без пристеночиоа зоны; б — с пристеначиоа зоила щиты в некоторых случаях на периферии создается зона, в которой топливо сгорает при соотношении компонентов, существенно нестехиометрическом. Чтобы избежать неблагоприятного воздействия на стенки камеры окислительной газовой среды, в пристеночном слое обычно сжигается топливо с избытком горючего, однако возможны и обратные случаи. Если вблизи стенок создается защитная зона с избытком горючего, эпюра й приобретает вид, изображенный па рис. 18.13, б.
В основную часть сечения— ядро потока — компоненты топлива должны поступать в соотношении я „, обеспечивающие наилучшие основные показатели двигателя или ракетного аппарата, а в пристеночном слое необходимо выдержать соотношение л „, обеспечивающее надежное охлажде- ние и нужный ресур~.
48.7. ПРИБЛИЖЕННАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ НА ПАРАМГТРЫ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ Смесительиые головки ЖРД не обеспечивают равномерного перемешиванля компонентов топлива н распределения гс смеси по сечению. Местные значения коэффициента соотношения компонентов топлива и расходонапряжености могут существенно отличаться. На рис. 18.13 изображены условные действительные эпюры распределения и по одному из диаметров поперечного сечения. Штриховыми линиями нанесены условные теоретическне заданные эпюры.
Следует иметь в виду, что степень и характер отклонения действительной эпюры от теоретической меняются еще и по окружности. 242 Основным следствием подобной неравномерности распределения компонентов топлива по сеченшо является снижение удельного импульса. Для оценки такого снижения можно произвести сравнение значений расходного комплекса 6 нли удельного импульса в пустоте 1», получаемых в случае заданного распределения Й н в случае реального их распределения.
Для определения идеальных термодинамическнх параметров неоднородного потока, состоящего из струек (трубок тока) различного исходного элементарного состава (различные а,ю) с относительным расходом в каждой струйке и(, дополнительно к ранее принятым допущениям (см. гл. ЧП) можно в первом приближении принять, что продукты сгорания, движущиеся в каждой струйке, не перемешиваются, а давление постоянно по поперечному сечению тракта.
Идеальные характеристики продуктов сгорания в отдельных стРУйках Яи(, (1(, пь 7(, У( и дР.) известны из теРмодинамнческого расчета. Используя уравнение неразрывности для каждой струйки тока, известные зависимости для расходного комплекса 8 и удельного импульса 1 (см. гл. Ъ'П), можно получить следующие формулы: 1=ХкА (18.
15) 7у. =ХК/у. (18. 16) ~ =.'Й аФ7~]Х ай (18. 17) При двухслойном распределении соотношения компонентов топлива идеальное значение удельного импульса в соответствии с формулой (18.16) должно быть определено так: (ид) (ид) (ид) 7у. =8.7у. '+К.Аии где я =тя/и и д =уп„/уп — относительные доли расхода соответственно в ЯдРе и в пРистеночной зоне; Хут~т„, 7ут~.„— идеальные значения удельного импульса в пустоте в этих же зонах при Й вЂ” ля И ита — йтст. Так как пп —— '1 — пст то Уу„п = ту.п.п Кст (д у.п.и д у.п.ст) (18.
18) Таким образом, коэффициент, характеризующий качество смешения компонентов, или коэффициент совершенства смешения, равен Р,.=Х„../у(".:). (18.19) Прн двухслойном распределении он равен Чт т(ид) (18. 20) ~у.п.й ~ст (~у и.й ~у п.ст) Приведенная последовательность оценки качества смешения компонентов может быть рекомендована для ориентировочной оцен- 243 ки и сравнения вариантов конструкции при проектировании и доводке, однако к получаемым результатам следует относиться с большой осторожностью, так как при их получении не учитывается чрезвычайная сложность процессов смешения и сгорания в условиях ЖРД, наличие поясов завес, радиальные перетекания паров компонентов, неконтролируемые отличия в фактическом распределении компонентов от заданного и многие другие факторы.
Глввв Х1Х РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ И ГАЗОГЕНЕРАТОРЕ 19.1. ОБщАя хАРАктеиистикА пРОцессА От момента впрыска в камеру сгорания или газогенератор до полного преобразования в конечные продукты сгорания топливо проходит сложный путь превращений. Физико-химические процессы преобразования топлива, составляющие рабочий процесс в камере сгорания, должны быть организованы так, чтобы обеспечить максимальную полноту сгорания топлива и устойчивое протекание процессов, необходимое для надежной и безопасной работы двигателя. Промежуток времени от момента впрыска до полного превращения топлива в продукты сгорания называют временем преобр а зов а ни я.
Превращение топлива в продукты сгорания происходит постепенно. В результате распыления и дробления поступающих из форсунок компонентов топлива образуются капли различных размеров. Капли компонентов за счет тепла из зоны горения испаряются, горючее и окислитель смешиваются в паровой фазе, после чего происходят экзотермические газофазные реакции горения. В камерах, работающих по схеме газ — жидкость или газ — газ, процессы, связанные с нагревом нгазификацией одного, либо обоих компонентов, исключаются.
Иногда преобразование компонентов топлива в продукты сгорания мажет протекать в другой последовательности. Например, компоненты топлива могут частично или полностью перемешиваться и реагировать в смесигельном элементе перед впрыском в камеру сгорания. Если компоненты само~воспламеняющиеся, то реакции горения могут начинаться после их смешения в жидкой фазе, либо могут происходить преимущественно гетерогенныс реакции. У смеснтельной головки могуг образовываться застойные зоны и зоны обратных токов.
В обгцем случае рабочий процесс в камере ЖРД представляет совокупность последовательных взаимосвязанных физико-химических процессов, схематично показанных на рис. 19.1 1581. Из-за большой сложности и взаимосвязи этих процессов затруднительно создать общую теорию рабочего процесса в камере ЖРД, количественна оценивающую параметры отдельных процессов и их суммар- едание наеена нааее оетееннаеение геях аеныление ~е Э !И ~~Я, о 1 (,'--:.;-: -аегаи-;, ренае й ген::е 'енаеенно 'е РенемЯйнапин Е' -" л иетаенажЖя ~ — ввойоооов в Жид ' ные показатели. Количественные исследования стационарных про- цессов в камере сгорания позволяют лишь выделить основные явле- ния и построить упрощенную модель процессов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
