Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.Л. Теория ракетных двигателей. 1989 г. (1241535), страница 43
Текст из файла (страница 43)
Эксперименты показывают, что неравномерности соотношения компонентов по поперечному сечению, масштаб которых превосходит шаг между форсунками, мало выравниваются при движении по камере сгорания и приводят к неполному сгоранию топлива. Жидкофазное смешение возможно для головок камер, работающих по схеме жидкость — жидкость. Образование смеси происходит при столкновениях струй, пелен или отдельных капель компонентов при пересечении факелов распыла; возможна организация смешения струй на вспомогательных поверхностях— специальных преградах (пластинах). Преимущество жидкофазного смешения — малые объемы, необходимые для его осуществления.
Для головок камер, работающих по схеме газ — жидкость, смешение компонентов происходит в некотором объеме камеры в процессе переноса и газификации капель в газовой среде (продуктах газогенерации, неполного горения или парах компонента): Этот же механизм частично или полностью действует и в головках схемы жидкость †жидкос при взаимном проникновении факелов распыла, при их естественном расширении.
Окончательное перемешивание компонентов топлива происходит в газовой фазе и обеспечивается газофазными процессами— в основном турбулентной диффузиией. В случае тонкого распыла и быстрой газификации компонентов, а также при взаимодействии жидких и газовых струй на выходе из двухкомпонентных коаксиальных газожидкостных форсунок газофазное смешение может являться определяющим процессом для достижения высокой полноты сгорания.
Смешение в газовой фазе, а для самовоспламеняющихся топлив и в жидкой фазе, сопровождается химическими реакциями, 192 которые оказывают влияние на процесс смешения, например, раз- деляют струи компонентов и замедляют смешение, или, наоборот, турбулизируют поток и способствуют смешению. 1азк ОСОбЕННОСТИ МАССООБМЕНА МЕЖДУ ФАЗАМИ Массообмен между жидкой и газовой фазами протекает совместно с теплообменом и сопровождается химическими реакциями в газовой, а иногда и в жидкой фазах. Требуемое для прогрева и испарения (при впрыске компонентов при докритическом давлении) капель количество теплоты может быть довольно значительным. На режиме запуска двигателя теплоподвод для подогрева и испарения части компонентов осуществляется от специального зажигательного устройства (оно не требуется для самовоспламеняющихся основных или пусковых компонентов), а иа установившемся режиме — из зоны развитого горения.
В последнем случае только незначительная часть необходимой теплоты подводится из зоны горения лучеиспусканием и теплопроводностью, основная же масса теплоты поступает за счет конвективного переноса. Решающую роль в этом явлении играют так называемые «обратные токи». Они возникают в результате эжектирующего эффекта при обмене количеством движения между впрыскиваемыми компонентами и продуктами сгорания. Компонент увлекает за собой попутные потоки газа, одновременно с которыми появляются и обратные (рециркуляционные) токи (рис. !8.3). Рециркуляционный поток газа может состоять из непрореагировавшей газовой фазы компонентов и продуктов сгорания. Влияние обратных токов на рабочий процесс может быть различным: оно зависит от масштаба — шага между форсунками, характера распыла (струи, центробежный распыл и т.
д.), состава и температуры продуктов сгорания. Уменьшение шага между форсунками приводит к тому, что ббльшая 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 сделать более напряженными термические условия работы головки, которая в этом случае «открыта» для горячих обратных токов. Увеличение давления в камере сгорания способствует интенсификации конвективного переноса теплоты.
Расчеты движения испаряющихся одиночных капель в среде продуктов сгорания показывают, что длина участка камеры сгорания, необходимая для полного испарения капель определенного размера, сокращается при уменьшении начальной скорости капель, при увеличении давления в камере сгорания и скорости газа (что может быть достигнуто, например, уменьшением отно. сительной площади камерысгорания Р, = гс/Рм). Длина участка полного испарения сокращается также при увеличении начальной температуры капель в результате, например, подогрева компо- 7 Аламасов З. д. в А».
193 5 45 45 45 5 У К 554«дгн !8.3 «Обратные токи» у головки камеры !8.4. Изменение массовой доли испарившейся жидкости для различных компонентов топлива: т — Ы,ии З вЂ” Ыии З вЂ” Ои Š— Р, пента в тракте охлаждения камеры. В то же время сравнительно большое изменение температуры газа в камере сгорания не оказывает заметного влияния на скорость испарения. Некоторые результаты расчетов испарения капель показаны на рис.
18.4. Давление в камере сгорания современных ЖРД часто превышает критическое давление впрыскиваемого жидкого компонента. После нагрева капли до критической температуры она сразу переходит в газообразное состояние (не требуется подве; денна теплоты фазового перехода) и «размываниев капли определяется диффузионными процессами. Если считать справедливым предположение о мгновенном выделении массы, а каплю — ее точечным источником, то распределение концентрации вещества капли по радиусу К в момент времени т можно найти по формуле з с(Я, т) =,, ехр( — й'/4Ж), З )/4 (»сх»)зГз где хх — коэффициенты турбулентной диффузии. !8.8. 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 7КРД обеспечивают без таких устройств за счет относительно низких скоростей движения среды в зоне подготовки н горения и главным образом за счет механизма переноса теплоты обратными токами. Циркуляцию продуктов горения в зону подготовки топлива можно назвать естественной стабилизацией пламени. .н Смесь в камере сгорания (за исключением схемы газ — газ) в значительной части процессов преобразования топлива является !94 двухфазной. Взаимодействие фаз между собой, теплоотдача от продуктов сгорания, сильно развитая турбулентность потока н диффузионные потоки ускоряют подготовительные процессы и собственно горение.
Общая картина всего комплекса явлений очень сложна и в значительной степени зависит от природы топлива, конструкции камеры сгорания и системы смесеобразо. вания. Для самовоспламеняющихся топлив характерны экзотермические реакции в жидкой фазе, протекающие уже при контакте (смешении) струй или капель компонентов. Тепловой эффект этих реакций способствует испарению капель, в том числе и тех, которые ие реагировали в жидкой фазе, так как не сталкивались с каплями другого компонента. При смешении паров горючего и окислителя протекают химические реакции в газовой фазе, приводящие к образованию конечных продуктов сгорания. Горение газообразных горючего и окислителя является г о м о г е н н ы м.
Выделяя различные виды горения, необходимо отметить и гетерогенное горение, которое происходит на поверхности раздела фаз. Одно из реагирующих веществ находится в жидкой фазе, другое доставляется к поверхности диффузией из газовой фазы. Однако в большинстве случаев от поверхности капли идет поток пара и горение происходит в процессе смешения этого пара со вторым компонентом, присутствующим в газовой фазе. Такое горение можно назвать диффузионным квази гетерогеннымм.
Если жидкие компоненты топлива подаются в камеру сгорания при сверхкритическом давлении, то после нагрева капель до критической температуры процесс горения отличается качественно и количественно от горения капель при докритическом давлении. При сверхкритических параметрах поверхностные слои капли представляют собой «сгусток» молекул и скорость процессов горения определяется диффузионным размыванием его и конвективным переносом.
На основании опубликованных результатов экспериментальных исследований процесс стационарного горения можно характеризовать следующим образом. Горение является в основном гомогенным, с существенной химической неоднородностью и турбулентностью, характер которых полностью определяется системой смесеобразования. Некоторая часть топлива в форме наиболее крупных капель выгорает по закономерности гетерогенного или квазигетерогенного горения. Наблюдается зона горения довольно большой протяженности с размытыми очертаниями. Причины этого — взаимное наложение друг на друга подготовительных процессов и процессов собственно горения, а также крупномасштабная турбулентность и местные разрывы фронта пламени, выбросы языков пламени и т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
