Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.Л. Теория ракетных двигателей. 1980 г. (1241533), страница 52
Текст из файла (страница 52)
1ваь ИСПАРЕНИЕ Прп испарении компонентов топлива затрачивается тепло, идущее на подогрев капель, а если компоненты впрыскиваются при докритическом давлении, то и иа испарение их при данном давлении. Требуемое для этих целей количество тепла довольно значительно. На режиме запуска двигателя теплоподвод для подогрева и испат рения части компонентов осуществляется от специального зажигательного устройства (оно ие нужно для самовоспламеняющихся основных или пусковых компонентов)„а на установившемся режиме — из зоны развитого горения. Только незначительная часть необходимого тепла подводится из зоны горения лучеиспусканием и теплопроводностью, основное тепло поступает за счет конвективного переноса. Решающую роль в этом явлении играют так называемые опб.
р а т н ы е т о к и». Они возникают в результате эжектирующеге эффекта при обмене количеством движения между впрыскнваемымн компонентами и продуктами сгорания. Компонент увлекает за собой попутные токи газа, одновременно с которыми появляются и обратные (репнркуляционные) токи (рис. 19.2). Рециркуляционный поток газа состоит из непрореагнровавших паров топлива и продуктов сгорания.
Влияние обратных токов на рабочий процесс может быть различным: оно зависит от масштаба — шага между форсунками, характера распыла (струи, ценгробежный распыл и т. д.), состава н температуры продуктов сгорания'. Уменьшение шага между форсунками приводит к тому, что большая часть сечения заполняется факелами распыла, зона обратных токов сужается и условия конвективного теплоподвода из зоны горения ухудшаются. Чрезмерное увеличение шага между форсунками, помимо ухудшения смешения, может существенно ухудшить и термические условия работы головки, которая в этом случае «открыта» для горячих обратных токов. Увеличение давления в камере сгорания во всех случаях способствует интенсификации конвективного переноса тепла.
Эксперименты показывают таквис. кит. Оаритаас тпиа '®'1 ра с„р, же, что рециркуляция газов зависит от соотношения количеств движения сталкивающихся топливных струй. Процесс нагрева капель определяется конвективным теплообменом между газом и сферическими частицами с массой та и диаметром И„. Обычно принимается, что температура внутри капли везде одинакова н внутренняя конвекция отсутствует. Дифференциальное уравнение нагрева капли при давлении меньше критического для одномерного стационарного движения с учетом потока вещества от поверхности капли т из-за ее испарения записывается в форме як 0 — аспа~т~с (19. 1) Фх тактксрк где 9=1„Хп гЫ„~ 1(Т вЂ” Тк)' ~екр(х) — 1 ) саппрк Я= кипсГк Ик- ЬН„, — теплота испарения; Х, сга — средний коэффициент теплопроводностн и теплоемкость пара; Ип — критерий Нуссельта, ср„, Т„, гп„ вЂ” соответственно, теплоемкость, температура и скорость капли.
Скорость парообразования и (поток вещества в единицу вре- мени) определяется в зависимости от температуры капли. При Тк(Т считают, что парообразование ограничено процессом диф- фузии, в связи с чем справедлива формула Стефана: т„=й — Ипо 1п ( (19. 2) Дк Р Рк где Ипо — диффузионный критерий Нуссельта", П вЂ” коэффициент диффузии паров от поверхности каплн„ .рк — давление насыщенно- го пара (парциальное давление на поверхности капли), Считают, что после нагрева капли до температуры кипения Т„„„ устанавлн. вается равновесный процесс испарения, в котором количество теп- ла, получаемое каплей от окружающей среды, равно количеству тепла, затрачиваемого на испарение.
При увеличении температуры основного потока температура равновесного испарения растет, при- ближаясь к температуре кипения. В камере сгорания температура продуктов сгорания обычно значительно выше температуры кипе- ния жидкого компонента. Поэтому принимают, что температура равновесного испарения равна температуре Т,. Поток испаряюще- гося вещества для равновесного испарения вычисляют по форму- ле Франк-Каменецкого: Ь= Х"М 1П~1+ — "" (Т вЂ” Тк„„)1. (19.
3) Рркдк ~ арГккк Масса капли т„однозначно определяется скоростью испарения т„: —" = — лк„/тэ„. (19. 4) кьк Как видно из уравнений (19.2) и (19.3), скорость процесса испа- рения и, следовательно, длина участка камеры сгорания, необходи- мая для этого процесса, занисят от условий подвода тепла (через критерий Нуссельта), а также от физических свойств испаряющей- ся жидкости, диаметра капли, скорости движения и других фак- торов. Расчеты показывают, что капля достаточно быстро нагревает- ся до температуры кипения при данном- давлении. Радиус капли после небольшого увеличения, обусловленного термическим рас- ширением, уменьшается по закону гк — — гка — Ат, где г„— текущий, а г,к — начальный радиусы капли; т — время; т — показатель, обычно ж2; й — константа, зависящая от природы вещества и параметров процесса.
Массовая доля испарившейся жидкости л„,кк растет сначала медленно, затем нарастание ее увеличивается и потом снова падает. Дело в том, что передача тепла, а следовательно, и скорость испарения существенно зависят от относительной скорости движения капли и„ вЂ” вк. Так как скорость газа в камере сгорания пропорциональна количеству испарившейся жидкости, величина гэ, непрерывно увеличивается. Скорость движения капля сначала больше скорости газа. Вследствие аэродинамического сопротивле- 247 В„с„, осе вар вв зв 0 4вв ав (в р гд в га а гввм„см «серы дпс.
ма ' Ю лис. Рйв Рис. 1э.э. изменение температуры капель равлнчных компонентов топлива по двине камеры сгорании: 1 — сндразнн Кепи Л вЂ” аммиак кис, '8 — кислород Он С вЂ” фтор Рс Рис. 1ЭА. Иамеиеине массовой деди нспарнвмейса мндкости дли различных компонентов тоа- дива собовиачспип по рис. !Эд) ния при движении капель скорость ь и уменьшается. Это участок торможения капель, на котором небольшая по абсолютной вели- ЧИНЕ ОтНОСИтЕЛЬНаЯ СКОРОСТЬ (тен — те,) УМЕНЬШаЕтСЯ И СтаНОВИтСЯ РаВНОй НУЛЮ ПРИ аи=и1,. ЗатЕМ УСКОРЯЮЩИЙСЯ ГаЗОВЫй ПОТОК УВ- лекает за собой капли, которые из-за сил инерции отстают от газа. На этом участке относительная скорость меняет свой знак и начинает расти по абсолютной величине.
По мере уменьшения размера капли при испарении влияние сил инерции ослабевает быстрее, чем действие аэродинамических снл, увлекающих каплю, и относительная скорость постепенно начинает уменьшаться. Участку наибольшей относительной скорости соответствует максимальная крутизна кривой П„,п(Унл ). После распыления жидкости форсунками получаются капли различного размера. Расчеты показывают, что мелкие капли с радиусом, например, г„о=25 мкм требуют для почти полного своего испарения (д„с =99%) примерно в 25 раз меньше пути, чем капли с начальным радиусом 250 мкм. Длина участка испарения массы всех капель определяется немногими по числу, но составляющими значительную долю по массе наиболее крупными каплями. Это позволяет утверждать, что длвна камеры сгорания без учета длины, необходимой для перемешивания, не должна быть меньше длины участка испарения наиболее крупных капель.
Влияние природы компонентов топлива иллюстрируется графиками на рис. 19.3 и 19.4. На рис. 19.3 показано расчетное измене нне температуры капель различных компонентов топлива при одинаковом начальном радиусе капель, равном 75 мкм, одинаковой начальной скорости капель, равной 30 и/с. Естественно, что капли иизкокипящих компонентов топлива достигают температуры кипения при данном давленив значительно быстрее, чем капли высоко. кипящих жидкостей. Из рис. 19.4 видно, что при одинаковом размере капель кислород и фтор требуют для полного испарения в несколько раз меньшего пути, чем другие компоненты топлива. Объясняется это не столько низкой температурой кипения их, сколько относительно небольшой теплотой испарения.
Следует также отметить, что длина камеры сгорания, необходимая для полного испарения капель определенного размера, уменьшается прн уменьшении начальной скорости капель, при увеличении давления в камере сгорания и при увеличении скорости газа. Последнее может быть достигнуто, например, уменьшением относительной площади камеры сгорания У,,=Г,(Г„. Длина участка полного испарения сокращается также при увеличении начальной температуры капель в результате, например, подогрева в тракте охлаждения камеры. В то же время существенное изменение температуры газа в камере сгорания не оказывает заметного влияния на скорость испарения. Давление в камере сгорания или газогенераторе современных ЖРД часто превышает критическое давление впрыскиваемого жи)~- кого компонента.
После нагрева капель до критической температуры поток массы в продукты сгорания определяется диффузионными процессами. Если сделать предположение о мгновенном выделении массы и считать каплю ее точечным источником, то распределение концентрации вещества капли по радиусу ц' в момент времени т можно найти из выражения Щ: '(~') — З)~4 (~ ° "Р~ 4О,! где 0 — коэффициент диффузии. 19.3. ГОРЕНИЕ Характерным отличием камер сгорания ЖРД является отсутствие фронтовых стабилизирующих устройств, благодаря которым в камерах сгорания ВРД создаются условия для образования устойчивого фронта пламени.
Смесеобразование, воспламенение и стационарное горение в ЖРД обеспечивают без таких устройств благодаря относительно низким скоростям движения среды в зоне подготовки и горения н главным образом благодаря механизму переноса тепла обратными токами. Циркуляцию продуктов горения в зону подготовки топлива можно назвать естественной стабилизацией пламени. Процессы подготовки топлива к горению и процессы собственно горения тесно связаны между собой. Точных границ между отдельными процессами не существует ни во времени, ни в пространстве. Смесь в камере сгорания (за исключением схемы газ — газ) в значнтельной части процессов преобразования топлива является двухфазной. Взаимодействие фаз между собой, теплоотдача ог продуктов сгорания, сильно развитая турбулентность потока и наличие диффузионных процессов ускоряют подготовительные процессы и процесс горения. Общая картина всего компонента явлений очень сложна и существенно зависит ог природы топлива, конструкции системы смесеобразования.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
