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

лагаются в торцевой части камеры сгорания — на головке.. В некоторых случаях возможно размещение форсунок на боковой поверхности камеры сгорания или в специальных смесителях..

Фиг. 4.1. Схемы камер сгорания ЖРД-'

а) Камера сгорания с подводом жидких компонентов: / —подвод жид­

с предварительным разложением перекиси водорода: 1 — катализа­ тор; 2 — подвод перекиси водорода; 3 — подвод горючего.

§ 4.2. ОБЩАЯ КАРТИНА РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ

Камеры сгорания Ж РД отличаются большой теплонапряжен^ ностью, которая определяется выражением

5 ----(4.1)

VK/?K* м3часата

Здесь Q — количество выделившегося тепла, кал}час\

м гчасата

Увеличение теплонапряженности всегда желательно, так как при этом уменьшаются объем и вес камеры. Получить столь боль­ шую теплонапряженность в камерах Ж РД оказывается возмож­ ным благодаря высокой химической активности компонентов, применяемых топлив, высоким значениям температуры и давле­ ния в камере.'

Основные реакции между горючими и окислителями в каме­ рах Ж РД протекают в газообразной фазе. Это полностью отно­ сится к реакциям окисления между несамовоспламеняющимися компонентами и в значительной степени между самовоспламеня­ ющимися. Для осуществления непрерывного процесса нужно 'обеспечить условия для последовательного протекания сложной совокупности физических и химических явлений. К ним относят­ ся: процесс подготовки смеси к сгоранию, заключающийся в дроблении на капли жидких компонентов, их смешении, нагреве и испарении; воспламенение смеси и процесс сгорания. Не все эти процессы протекают одинаково быстро.

Общее время реакции или время преобразования исходных жидких продуктов в конечные газообразные равно сумме време­ ни всех последовательных стадий и определяется временем про­ текания самой медленной стадии процесса.

При температурах, больших 1800—2000° абс, когда время осуществления химической реакции очень мало, такими опреде­ ляющими процессами будут физические процессы смесеобразова­ ния, теплообмена и газообмена. Следовательно, основной путь ускорения процессов тепловыделения и достижение более полно­ го сгорания — это путь совершенствования физических процес­ сов. В частности, эти процессы значительно ускоряются при предварительном смешении жидких компонентов и при более тонком их распыливании. Скорость испарения, зависящая от ус­ ловий подвода тепла к жидкости, может быть повышена за счет усиления газообмена с зонами, имеющими высокую температу­ ру. Процессы испарения ускоряются при применении высокоак­ тивных самовоспламеняющихся топлив в результате выделения тепла при поверхностном контакте жидкостей.

Физические процессы играют роль и после окончания основ­ ного процесса тепловыделения, если имеется неравномерное рас­ пределение состава смеси по сечению камеры. В этом случае на­ блюдается выравнивание состава продуктов сгорания в резуль-- тате турбулентной диффузии.

Процесс тепловыделения в камере Ж РД протекает в движу­ щемся потоке газа. Для обеспечения непрерывного процесса

82

выделения тепла необходимо зафиксировать очаг горения на не­ которой длине камеры, создавая условия, при которых массовая скорость реакции в этой зоне равнялась расходу смеси через нее. Такая фиксация или, иначе говоря, стабилизация очага горения в движущемся ‘потоке может быть обеспечена путем организа­ ции непрерывного притока тепла к поступающим в камеру жид­ ким компонентам из зоны горения и непрерывного поджигания вновь образующейся топливной смеси. Подвод тепла к свежей топливной смеси осуществляется обратными токами горячих га­ зов из зоны горения. Эти токи горячих газов приносят тепло, не-

Ф и г. 4.2. Протекание процессов вдоль камеры сгорания

обходимое для первоначального прогрева, испарения и поджига­ ния топлива. Только такой процесс сможет обеспечить устойчи­ вость и безопасность работы камеры сгорания, так как в этом случае не будет накопления готовой взрывоспособной сме­ си. Самовоспламенение этой смеси, часто переходящее в детона­ цию с сильным бризантным (дробящим) эффектом, приводит

кразрушению двигателя.

Вкамере сгорания могут быть условно выделены две основ­ ные зоны (фиг. 4.2). Первая зона (I) примыкает непосредственно

к головке. Она вначале характеризуется преобладанием в ней жидких капель, которые продолжают дробиться, так чтообщая поверхность распыленной жидкости непрерывно возрастает. Ко­ личество испарившихся капель еще невелико; здесь происходит их предварительный нагрев; испаряются лишь самые мелкие кап­ ли. Во второй части первой зоны происходит интенсивное испа­ рение и образуются начальные очаги горения, способствующие дальнейшему ускорению процессов . дробления, нагрева и испа­ рения капель и сгорания. Во второй зоне (II) происходит догора­ ние продуктов неполного окисления и выравнивание состава га­ за за счет турбулентной диффузии.

На фиг. 4.2 схематично показано протекание процесса распыливания, испарения и сгорания в отдельных зонах; здесь же по­ казано изменение температуры, скорости и давления газа по дли­ не камеры. Характер изменения скорости, давления и температу­ ры всецело определяется динамикой тепловыделения в камере. Падение статического (и полного) давления по длине происходит как за счет наличия гидравлических потерь, так и из-за специ­ фического теплового сопротивления в результате ускорения газа в з о ie горения.

§ 4.3. ОСОБЕННОСТИ ФОРСУНОК ЖРД

Распыливание жидкости осуществляется форсунками, через которые она поступает в камеру сгорания под некоторым избы­ точным давлением. Распыливание жидкости сопровождается рас­ падом струи и образованием капель. Совокупность летящих ка­ пель образует факел распыла.

Оценка работы форсунок ведется по разным показателям: размерам получающихся капель, их однородности, дальнобойно­ сти струи ь форме факела распыла.

Размер капель оценивается их диаметром и определяется экспериментально. Капли неоднородны в отношении их размеров, в связи с чем вводится понятие среднего диаметра (радиуса) ка­ пель, характеризующего тонкость распыливания.

Для ускорения процесса испарения распыл должен быть тонким (средний диаметр малый) и однородным (меньше раз­ ность диаметров). В этом случае общая поверхность испарения будет, больше, а время для испарения — меньше.

На процессы в камере сгорания влияют форма струи и рас­ пределение жидкости в ее поперечном сечении. Для облегчения испарения жидкости следует избегать значительной концентрации жидкой фазы в отдельных зонах камеры сгорания, поэтому кри­ вые распределения не должны иметь ярко выраженных макси­

мумов.

Закон распределения жидкости по сечению струи оказывает влияние также и на дальнобойность, то-есть глубину проникно­ вения жидкости в среду. Чем более компактна струя, т. е. чем больше плотность веществ по оси (в ядре) струи, тем, при про­ чих-равных условиях, больше дальнобойность. Форма струи опре-

84

деляет закон распределения веществ в пространстве у форсунок. Требования к дальнобойности струи зависят от условий сме­ сеобразования. Для обычных камер сгорания с плоской головкой в общем случае целесообразно уменьшать дальнобойность, так как при этом распыленные компоненты находятся вблизи голов­ ки, и подготовительные процессы завершаются на меньшей длине

камеры сгорания.

В некоторых случаях оказывается целесообразным растянуть

Фиг. 4.3. Схема струйных форсунок

Расчет струйной форсунки состоит в определении размера отверстия сопла форсунки при известном расходе через нее Оф и перепаде давления.

Расчет ведется по уравнению расхода

р= 0,80-5-0,85 — коническая кромка на входе;

р=.0,85-5-0,90 — скругленная входная часть;

р= 0,65-5-0,7 — вход с острой кромкой. .

делах 0,5—2,5 мм. Отверстия больше 2,5 мм и меньше 0,5 мм применяются ред­ ко из-за ухудшения качества распыла в первом случае и опасности засорения

85

во втором. Угол факела распыла у струйных форсунок невелик и составляет

а = 5 - » - 20°.

Ц е н т р о б е ж н ы е ф о р с у н к и находят весьма широкое распростране­ ние в ЖРД. Они удачно сочетают тонкий распыл при малых перепадах давле­

струйной является наличие вращательного движения жидкости на входе в соп­ ло. Для этой цели жидкость поступает по нескольким (редко одному) тангенци­ альным каналам в камеру завихрения и здесь приходит во вращательное дви­ жение. Центральная часть форсунки заполнена газом, который увлекается жидкостью и тоже приходит во вращение, образуя газовый вихрь. Жидкость остается только у стенок. Окружность газового вихря в сопле форсунки име­ ет радиус гт , где избыточное давление равно нулю.

Истечение жидкости происходит только по площади кольца, примыкаю-

меньше, чем больше радиус вихря при данном / с .

Вращательное движение жидкости в центробежной форсунке может быть создано не только путем подачи ее через тангенциальные входные каналы, но и другими способами, например, через так называемый завихритель, имеющий на наружной поверхности винтовую нарезку, по которой движется жидкость

(фиг. 4.5).

Расчет центробежной форсунки позволяет определить следующие величи­ ны: коэффициент расхода р, угол конусаструи а , коэффициент живого сече­ ния е, а также сделать выбор основных размеров форсунки.

Коэффициент расхода р- в уравнении (4.2) расхода через сопло форсунки можно представить так: р = е<рс <где <рс — коэффициент скорости, учитываю­

8 6

щий уменьшение осевой скорости из-за закрутки жидкости и гидравлических потерь.

Очевидно, что коэффициенты е , <рс и рзависят от интенсивности вращения

жидкости в форсунке.

Интенсивность вращения жидкости может быть охарактеризована отноше­ нием окружной скорости wu около стенки сопла форсунки к условной средней

Коэффициент 'выражается через геометрические параметры форсунки и называется ее геометрической характеристикой.

Выражение для геометрической характеристики форсунки для идеальной жидкости (без трения) имеет вид*)

,я /? гс

са, точнее — однополостного гиперболоида вращения, вдоль, образующих ко­ торого движутся частицы жидкости. Траектория движения частиц, покидаю­ щих форсунку, определяется соотношением между окружной wu и осевой wa составляющими скорости при выходе из соплового канала; угол распыла а на выходе из форсунки определяется из выражения

значения А для случая течения идеальной жидкости. Из графика следует, что при увеличении А угол распыла а увеличивается', а величины р и е уменьша­ ются. Причина такого течения кривых заключается в том, что увеличение А оз­ начает увеличение окружной составляющей скорости в сопле, поэтому под влиянием сил инерции происходит уменьшение коэффициента живого сечения

теории центробежной форсунки для идеальной жидкости. Однако в ряде случа­ ев наблюдалось расхождение между опытными и теоретическими значениями р и а. Было установлено, что при распиливании реальной, вязкой жидкости на расход и форму струи оказывают влияние коэффициент вязкости и соотношение размеров форсунки. Трение перед соплом форсунки уменьшает момент количест­ ва движения жидкости на входе в сопло форсунки и поэтому уменьшает угол а я увеличивает коэффициент расхода.

*) См., например, (53].

87

Из теории следует, что коэффициенты г и 'р., расход жидкости и угол струи а при учете трения могут быть получены по формулам или графикам, полученным для идеальной жидкости (фиг. 4.6), если вместо геометрической

М

8,8

8.7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,1

0,1

Фиг. 4.6. Зависимость параметров центро­ бежной форсунки от ее геометрической ха­ рактеристики

характеристики А использовать эквивалентную геометрическую характеристику

тде Аф — коэффициент трения в форсунке; последний можно найти из формуле

88

'da— эквивалентный гидравлический диаметр входных каналов;

v— коэффициент кинематической вязкости жидкости;

««вх — скорость во входном канале.

Р а с ч е т ц е н т р о б е ж н ы х ф о р с у н о к . Задачей расчета центро­ бежной форсунки является определение ее геометрических размеров при извест­ ном расходе через нее Оф и перепаде давления &р§ ■Кроме того, при расчете обычно задают1 угол струи а, а также максимальный ее габарит.

Расчет центробежной форсунки можно произвести в следующей последо­ вательности.

По заданному углу а из графика фиг. 4.6 определяют Аэ и коэффициент расхода. Далее из уравнения расхода определяют радиус сопла

Если имеет место расхождение между первым и вторым значениями, то переходят к следующему приближению, для чего определяют во втором при­ ближении Re и Аф и вновь из формулы (4.9) находят в третьем приближе­

нии /вхзПри определении прочих геометрических размеров центробежной форсун­

ки нужно учитывать следующее:

1. Длина сопла /с не должна быть очень большой, иначе вследствие тре­ ния уменьшается угол а; обычно /с-—■(0,5н- 1 ,0 ) dc.

2. Длина входного канала 1Вх не должна быть меньше 0,5 калибра, так как иначе не обеспечивается тангенциальность входа и поток отклоняется к оси

3. Увеличение длины камеры завихрения вызывает уменьшение момента количества движения на входе в форсунку из-за трения. Если нет ограничений, связанных с конструированием и технологическими соображениями, то следует делать

^зав ^ (0,5 - 4- 1,0) D,

где D = 2(R + rDX) — диаметр камеры завихрения.

Уменьшение /зав ниже 0,5£> невыгодно, так как при этом возрастает неравномерность потока по сечению.

§4.4. РАСПЫЛИВАНИЕ

Процесс распиливания состоит из последовательных ста­ дий распада струи, истекающей из сопла форсунки, и дробления крупных капель на более мелкие частицы. Факторы, которые вы­

89

зывают распад струи, можно разделить на внешние по отноше­ нию к струе и внутренние.

К внешним факторам относятся: силы аэродинамического со­ противления и силы, возникающие при взаимном соударении струй и отдельных капель или при ударе их о препятствие. Влия­ ние этих факторов будет тем больше, чем больше относительная скорость жидкости и среды. Аэродинамические силы, кроме того, зависят от плотности среды, увеличиваясь с увеличением плот­ ности.

К внутренним факторам, способствующим распаду струи, от­ носятся силы инерции, возникающие в результате турбулентных пульсаций в струе жидкости, которые увеличиваются с ростом скорости жидкости.

а)

Щ W\

вязкости во внутренних слоях жидкости и в виде сил поверхност­ ного натяжения на границе раздела двух сред, препятствуют распаду жидкости на капли. На величину молекулярных сил вли­ яет температура жидкости. При увеличении температуры их дей­ ствие ослабевает; при критической температуре величина сил' поверхностного натяжения равняется нулю.

Форма факела и тонкость распыла зависят от перепада дав­ ления, под которым происходит истечение жидкости из сопла фор­ сунки. При увеличении перепада давления увеличивается' действие как внутренних, так и внешних факторов и струя распа­ дается на более мелкие капли, так как растет скорость жидкости на выходе из форсунки. Например, .при распыле из центробеж­ ной форсунки, при весьма малом перепаде давления истечение происходит в виде струи, на поверхности которой ясно видны винтовые траектории частиц. При увеличении перепада давления на выходе из сопла появляется пустотелая, сплошная поверх­ ность в виде «пузыря» (фиг. 4.7,а ), которая на некотором рас­ стоянии от сопла стягивается силами поверхностного натяжения.

90