книги из ГПНТБ / Мелькумов Т.М. Теория двигателей. I. Теория ракетных двигателей. II. Применение ядерной энергии в силовых установках [учебник]

При дальнейшем увеличении перепада «пузырь» раскрывается и превращается в «тюльпан» (фиг. 4.7,6). На некотором расстоя­ нии от сопла «тюльпан» разрывается на изолированные кольце­ образные участки, которые затем формируются в сгустки жидко­ сти, нити и отдельные капли. Неразорвавшаяся часть «тюльпа­ на» носит название пелены. При еще большем увеличении пере­ пада давления длина участка нераспавшейся пелены уменьшает­ ся до тех пор, пока распыл не будет происходить практически непосредственно у сопла (фиг. 4.7,в).

Распиливающаяся струя образует спектр капель, различаю­ щихся размерами, начиная от самых мелких (диаметр самой, мелкой капли равен диаметру молекулы) до самых крупных.

Оценка качества распыливания проводится на основании экспе­ риментальных данных. Для этой цели капли распыленной жидко­ сти улавливаются тем или иным способом и сортируются по груп­ пам, отличающимся величиной диаметра. Затем строятся харак­ теристики мелкости (тонкости) распыливания в виде кривых рас­ пределения капель по их диа­ метрам. Например, строятся сум­ марные весовые кривые, где по оси ординат откладываются по­

следовательно результаты взвешивания всех капель, имеющих данный диаметр и меньший (фиг. 4.8)'. Для оценки мелкости рас­ пыливания пользуются некоторым средним диаметром капель. Часто за средний диаметр ^принимают диаметр do,s> соответствую­

щий относительному весу G = 0,5 на кривой фиг. 4.8.

Помимо оценки по среднему диаметру капель, нужна оценка распыла по однородности размеров получающихся капель. Так как минимальный диаметр капель равен размеру молекулы, то однородность может характеризоваться величиной максимально­ го диаметра капель или величиной, например, диаметра капель Д?о.9на кривой распределения (фиг. 4.8), соответствующего 90% общего веса капель.

с увеличением перепада давления. При больших значениях пере­ пада давления (более 10 атм) эта зависимость выражена сла­ бее. Качественный характер такого вывода подтверждается мно­ гочисленными опытами по исследованию распыла ряда форсунок,

91

но количественные данные зависят также и от конструкции фор­ сунки.

Тонкость распыливания зависит также от формы и состоя­ ния поверхности струи жидкости на выходе из форсунки.

Чем больше толщина струи жидкости на выходе из форсун­ ки, тем она компактнее, так как меньше отношение поверхности ее к объему, тем меньше воздействие аэродинамических сил и при прочих равных условиях тем хуже распыл.

На фиг. 4.9 показано изменение диаметра капель в зависи­ мости от толщины пелены Л жидкости на выходе из центробежлой форсунки. С увеличением толщины пелены распыл ухудшает-

Следовательно, все конструктивные мероприятия, которые уве­ личивают р- и уменьшают а при данном размере сопла и перепа­ де &Рф, будут вызывать ухудшение качества распыла.

Увеличение размера cofuia при прочих равных условиях ве­ дет к росту 3 и потому ухудшает распыл.

Это положение иллюстрируется фиг. 4.10, на которой приве­ дены три кривые, показывающие зависимость диаметра капель от перепада-давления на форсунке. Эти кривые относятся к треад

кам, испарение компонентов ускоряется; поэтому нет необходи­ мости в большом перепаде давления на форсунках. Это. очень важно и для снижения веса системы питания. Минимальное зна­ чение перепада на форсунках Ж РД составляют 2—5 кг/см2. От­ мечаются случаи, когда двигатель на отдельных режимах устой­ чиво работает и при меньших перепадах. Для камер с регулируе­ мой тягой перепад давлений на форсунках не должен уменьшать­

92

ся ниже некоторой величины, определяемой полнотой и устой­ чивостью процесса сгорания.

Увеличение плотности среды интенсифицирует действие аэро­ динамических сил и поэтому приводит к уменьшению диаметра капель.

dK , микрон

Фиг. 4.10. Зависимость среднего диаметра капель от перепада давления на форсунке

При распыливании в движущемся потоке газа происходиг дополнительное дробление капель и частиц жидкости за счет действия на каплю аэродинамических сил сопротивления при об­ текании ее потоком газа, поэтому как тонкость, так и однород­ ность распыла возрастают. Величина аэродинамических сил в этом случае, как и при движении капли в неподвижной среде, пропорциональна сечению капли и квадрату относительной ско­ рости газа и капли.

В камере Ж РД процесс дробления капель при их движении в газе после сопла форсунки может быть разделен на две стадии:

1)дробление капель при их торможении в газовой среде; при этом относительная скорость капли уменьшается от макси­ мального значения в момент выхода струи из форсунки до нуля; на участке торможения абсолютная скорость капли больше ско­ рости газа;

2)дробление капель в процессе их увлечения потоком газа. Поступательная скорость газа в камере в направлении выходного-

сопла (см. фиг. 4.2) растет за счет испарения капель (прежде всего мелких) и сгорания паров. При увлечении газом капля

93

будет отставать от него за счет влияния сил инерцци. Достигнув максимального значения, относительная скорость далее падает. На участке увлечения абсолютная скорость капли меньше ско­ рости газа.

Кривые изменения относительной скорости капли на этих двух этапах приведены на фиг. 4.11. С увеличением размеров капли силы ■инерции, пропорциональные ее массе, то есть fi?K3, увеличиваются сильнее, чем аэродинамические силы, пропорцио­ нальные поверхности капли, то есть dKz . Поэтому, чем крупнее капля, тем процесс ее увлечения будет более длительным.

Фиг. 4.11. Изменение относительной скорости капли и газа в процессе торможения и увлечения капли пото­ ком газа в камере сгорания ЖРД

Фиг. 4.12. Кривые распределения секундного расхода вдоль радиуса для двух расстояний от сопла

а) струйная форсунка; б) центробежная форсунка.

Распределение жидкости в струе. Распределение жидкости в струе, как правило, отличается неоднородностью (неравномер­ ностью) как по сечению, так и по длине факела.

На фиг. 4.12 приведены кривые распределения секундного расхода жидкости вдоль радиуса струи для двух расстояний от

94

сопла. Из графиков следует, что как для струйной, так и для центробежной форсунки характерно наличие местного пика рас­ хода, причем у струйной форсунки он более сильно выражен. На­ личие двух максимумов расхода у центробежной форсунки объяс­ няется формой факела. По мере удаления от сопла (/2 > Л) рас­ пределение жидкости по сечению струи становится более равно­ мерным.

На неравномерность распределения жидкости оказывают влияние конструкция форсунки и неточности изготовления; напри­ мер, конечное число входных каналов, несоосность оси сопла с осью камеры закручивания, различие в размерах каналов и рас­ стояниях их от оси, неровности на стенках камеры завихрения и сопла. Увеличение высоты камеры завихрения и числа входных каналов приводит к уменьшению неравномерности распределе­ ния жидкости.

Дальнобойность струи. Дальнобойность струи или глубина ее проникновения во внешнюю среду зависит от кинетической энер­ гии струи, от тонкости распыливания и от величины внешних сил сопротивления. Кинетическая энергия струи определяется массой и скоростью струи, а внешнее сопротивление — плотно­ стью среды, общей поверхностью распыленной жидкости и отно­ сительной скоростью движения.

Общая поверхность струи связана с качеством .распыла, уве­ личиваясь с увеличением тонкости распыливания. Поверхность зависит также от формы струи: струя более компактная (с мень­ шим углом конуса), всегда имеет большую дальнобойность. Это понятно, так как наибольшее внешнее сопротивление встречают капли, находящиеся на периферии струи, и меньшее — те, кото­ рые находятся на оси. Поэтому центральная часть струи, ее яд­ ро, дольше сохраняет запас кинетической энергии.

В тех случаях, когда стремятся уменьшить дальнобойность струи, целесообразно увеличивать угол конусности. В форсун­ ках струйного типа возможности для увеличения угла конусности ограничены применением штифтовых форсунок, конических рас­ ходящихся сопел. Можно уменьшить дальнобойность также за счет применения сталкивающихся струй или использования для дробления струи эффекта удара ее о препятствие.

Распыл из центробежной форсунки отличается меньшей дальнобойностью, чем распыл из струйной форсунки. Это объяс­ няется очень развитой поверхностью струи. Здесь внешние силы действуют как на внешнюю поверхность конуса, так и на его внутреннюю часть. Наконец, в факеле распыла из центробежной форсунки отсутствует компактное ядро; мало того, значительно большая неустойчивость пелены по сравнению с цилиндрической струей вызывает ее распад на более близком расстоянии от сопла и при меньшем перепаде давления, что способствует уменьшению дальнобойности.

95

§ 4.5. С М Е Ш Е Н И Е Ж И Д К И Х К О М П О Н Е Н Т О В . Г О Л О В К А К А М Е Р Ы .

Необходимым условием для реакции является создание кон­ такта между окислителем и горючим. Полнота выделения тепла всегда увеличивается при улучшении качества предварительного смешения в жидкой фазе вне зависимости от вида применяемых компонентов топлива.

Организовать 'Смешение жидких компонентов можно путем взаимодействия струй в камере сгорания в процессе распыливания или путем предварительного смешения жидкостей и последу­ ющего их распыливания через одну форсунку. Лучшие результа­ ты в отношении полноты горения должно дать предварительное смешение, так как при этом легче обеспечивается одинаковое со­ отношение между компонентами по сечению камеры сгорания. С точки зрения безопасности целесообразнее смешивать жидко­ сти после их выхода из форсунок; у выполненных двигателей этот тип смешения преобладает.

Местные значения соотношения компонентов могут отличать­ ся от среднего значения для всей камеры. Особенно заметно это отличие у стенок камеры, где выбор значения соотношения опре­ деляется условиями охлаждения.

Назовем смесительным элементом или смесителем наимень­ шую группу форсунок, предназначенную для смешения компо­ нентов в заданных соотношениях. Тогда вся головка может быть составлена из ряда простейших смесительных элементов. Отдель­ ные смесительные элементы оказывают влияние друг на друга, но совершенство головки в основном определяется качеством смешения и условиями для последующего испарения, которые со­ здаются смесительными элементами.

При применении струйных форсунок встречаются смесите­ ли, состоящие из трехили двухструйных форсунок. Поскольку угол факела из струйной форсунки невелик, то для лучшего кон­ такта компонентов и перемешивания часто струйные форсунки разноименных компонентов в смесителе располагают под углом друг к другу. Иногда применяют и струйные смесители с парал­ лельными осями форсунок. Хороший контакт компонентов в жид­ кой фазе имеет особенно большое значение для самовоспламеня­ ющихся топлив. На фиг. 4.13 приведены схемы струйных смеси­ телей.

Трехструйные смесители (фиг. 4.13,а), состоящие из двух окислительных форсунок и одной форсунки горючего, имеют преимущества по сравнению с двухструйными, так как объемный расход окислителя обычно больше (в 2—3 раза), чем горючего. Поэтому увеличение числа отверстий для окислителя уменьшает размеры окислительной струи и обеспечивает лучшее распыливание и лучшее взаимное смешение горючего и окислителя. В симметричном трехструйном смесителе результирующая струя движется вдоль оси центральной форсунки.

96'

При столкновении двух струй результирующая струя откла­ няется от оси окислительной форсунки на некоторый угол р' (фиг. 4.13,6)., который может изменяться при изменении режима1 работы. Предполагая, что при встрече струй суммарное количест-1 во движения остается неизменным, можно определить угол от­ клонения результирующей струи; наоборот, задавшись опреде­ ленным углом результирующей струи р ', можно определить необхо­ димый угол Р .

Геометрическое взаимодейст­ вие струй нужно учитывать при проектировании головки, чтобы из­ бежать попадания жидкости на стенки или сгущения жидкости в отдельных зонах камеры, затруд­ няющего ее испарение и последую­ щее .горение.

Головка со струйными форсун­ ками обычно включает большое чи­ сло одинаковых смесителей, равно­ мерно расположенных по сечению. Исключение может составить об­ ласть у стенки, где часто для облег­ чения условия охлаждения устанав­ ливают главным образом форсунки горючего.

гается и при параллельном расположении осей форсунок. Фор­

сунки горючего и окислителя обычно чередуются.

Струи соседних форсунок пересекаются или сливаются. При использовании центробежных форсунок применяют шах­

. располагают преимущественно форсунки горючего. Это предот- • вращает также попадание окислителя на стенку и его агрессивное!' воздействие на материал стенки.

Если не считать периферийных форсунок, то в случае шах­ матного расположения форсунок на одну форсунку горючего приходится одна форсунка окислителя; в случае сотового распо­

ложения — две форсунки окислителя, что является положитель­ ным.

в этом случае форсунка, в сущности, будет являться элементар­ ным смесителем.

Двухкомпонентные форсунки могут быть с внешним и внут­

Фиг. 4.15. Схемы двухкомпонентных форсунок:

^z) форсунка с внешним смешением; б) форсунка с внутренним (предварительным) смешением;

] _ подвод первого компонента; 2 —подвод второго компонента.

лонентов пересекаются на выходе из форсунки. Форсунка рассчи­ тывается так, что конусы распыла горючего и окислителя пересеяают друг друга в непосредственной близости к соплу форсунки; для этой цели величина угла факела у внутреннего сопла долж­

98

на быть больше. В форсунке с предварительным смешением (фиг. 4.15,6) перемешивание компонентов происходит внутри форсунки, что обеспечивает высокое качество смеси окислителя н горючего. Двухкомпонентные форсунки конструктивно слож­ нее однокомпонентных, но их применение позволяет получить хорошее перемешивание при меньшем числе форсунок на го­ ловке.

Подбод

о ки сл и т е л я

Фиг. 4.16. Предкамерный смеситель:

/ — форсунка окислителя; 2 — форсунки горючего.

При использовании двухкомпонентных форсунок с внутрен^ ним смешением следует иметь в виду возможность воспламенения или взрыва смеси компонентов в форсунке. Для уменьшения этой опасности необходимо, чтобы время пребывания смеси окислите­ ля и горючего в форсунке было меньше периода задержки вос­

(75%-ный этиловый спирт) распыливается через форсунки, рас­ положенные на боковой поверхности предкамеры. Окислитель (жидкий кислород) проходит через струйную многодырчатую

форсунку, расположенную в днище конуса. Смешение осуществ­ ляется внутри предкамеры. На головке двигателя располагалось восемнадцать таких предкамер. Между предкамерами образовы­ вались мощные вихревые токи, обеспечивающие подвод тепла к смеси из зоны горения.

Головки по форме бывают плоские и криволинейные; послед­ ние могут быть конические; сферические и др.

Фиг. 4.17. Распределение коэффициента избытка окислителя (соотношения компонентов) по диаметру головки

На плоской головке оси форсунок или отдельных смесителей обычно параллельны друг другу и оси камеры. На криволиней­ ной головке оси смесительных элементов, располагаясь перпен­ дикулярно поверхности головки, всегда пересекаются на оси ка­ меры. В случае криволинейной головки может происходить скоп­ ление жидкости на оси камеры. Условия испарения и теплоподвода к свежей топливной смеси в этом случае менее благоприят­ ны, поэтому процесс сгорания затягивается, а выравнивание со­ става газов по камере сгорания затрудняется. Устранения это­ го можно добиться соответствующим выбором дальнобойности форсунок.

Сферическая головка обладает большей прочностью. Такая форма удачна и с точки зрения борьбы с высокочастотными по­ перечными колебаниями. Конструктивно 'криволинейные головки сложнее плоских.

Рассмотрим распределение топлива по сечению головки (фиг. 4.17). В результате распыливания и смешения жидких ком­ понентов образуется определенное распределение смеси по се­ чению головки. Местные значения коэффициента избытка окис­ лителя Д/ могут отличаться от среднего для камеры аср даже при равномерном размещении форсунок на головке. Причина

100