Материал: Шевелюк, М. И. Теоретические основы проектирования жидкостных ракетных двигателей учебное пособие для высших учебных заведений

3)формой и размерами камеры сгорания (при конически сужа­ ющейся форме камеры сгорания гасится турбулентность газового

потока);

4)характером общей и местной турбулентности потока;

5)перераспределением тепла внутри потока, особенно в зоне горения, а также между потоком и внешней средой (теплообменом, вызванным неадиабатичностью системы) и др.

Большое влияние на процесс сгорания имеет характер впрыска топлива в камеру двигателя.

В зависимости от конструктивной формы головки камеры сгора­ ния, типа, числа и схемы расположения топливных форсунок в ка­ мере двигателя имеют место:

1)различные направления струй впрыска компонентов топлива;

2)множество распределенных в объеме камеры очагов парооб­ разования и сгорания компонентов топлива;

3)вихревые конвективные токи горящей массы к головке каме­ ры сгорания и другие явления.

В силу этих факторов движение рабочего тела в камере сгора­ ния двигателя получается турбулентным. Действие всех перечис­ ленных факторов приводит к тому, что основная масса компонен­ тов топлива испаряется и сгорает на коротком участке камеры сгорания, образуя своеобразный фронт пламени.

До настоящего времени не найдены достаточно точные методы определения времени сгорания топлива в камере двигателя.

Путь развития процесса горения зависит от вида применяемых

протекают медленно. С другой стороны, скорость движения газо­

близкая к максимальной температуре горения, благодаря которой химические реакции протекают практически мгновенно, а поэтому процесс сгорания носит диффузионно-турбулентный характер. В ЖРД молекулярная диффузия протекает значительно медленнее турбулентной, а поэтому скорость перемешивания газов в конечном итоге определяется скоростью турбулентной диффузии.

Неоднородности состава газов в масштабе, равным расстоянию между форсунками, выравниваются довольно быстро, а неравно­ мерности в масштабе диаметра камеры в существующих двигате­ лях почти не выравниваются даже и на всей длине камеры.

сгорания и сопла двигателя. На ординате этих графиков величина G/Gs представляет собой долю топлива в процентах, участие кото­ рой в каком-либо процессе уже завершено. На участке Н—1 одно­ временно идут все основные процессы. Процесс распыла на этом участке заканчивается, и прореагировавшая часть компонентов

топлива составляет очень небольшую долю. В сечении 2 почти заканчивается испарение компонентов топлива. Ско­

рость химических реакций здесь еще не особенно велика и лимитирует скорость процесса горения. На последнем участ­ ке 2—к камеры сгорания существуют

высокие температуры, и поэтому здесь

выгорает все топливо, которое успело

перемешаться. Скорость горения на

ное время непосредственного сгорания топлива в камере двигателя состоит из:

1)времени, потребного для физического контакта между газо­ образным горючим и газообразным окислителем, т^з;

2)времени, потребного для протекания самой химической ре­

акции (кинетического сгорания компонентов), Тя™, т. е.

^сг '■физЧ'^хим Сек. (6.1)

При увеличении давления в камере сгорания двигателя процесс сгорания топлива интенсифицируется, и поэтому необходимое время сгорания топлива уменьшается (фиг. 6. 3 и 6. 4).

Так как в камерах сгорания существующих двигателей при вы­ соких температурах развиваемого очага горения скорость химиче­ ской реакции весьма велика и сгорание топлива в основном опре­ деляется скоростью образования горючей смеси, т. е. тУИМ по срав­ нению с т^з весьма мало, то практически можно считать, что про­ цесс сгорания топлива протекает в основном в виде турбулентной

диффузии, т. е.

горения мало зависит от скорости потока и определяется в основ­

222 Гл. 6. Рабочие процессы в камерах ЖРД

ном турбулентностью, обусловленной формой головки камеры сго­ рания и характером самого процесса сгорания.

Так как полный рабочий процесс сгорания топлива в камере двигателя состоит из: 1) подготовительных процессов, осуществля­ емых в течение времени тподг, и 2) процессов турбулентного смеше­ ния и сгорания газообразных компонентов топлива в течение вре-

мени Тег, то общее время пребывания рабочего тела в камере сгора­ ния двигателя условно можно выразить формулой

Время пребывания различно для разных топлив и должно опре­ деляться экспериментально. Значение его для низкокипящих ком­ понентов топлива меньше, чем для высококипящих. Кроме того, чем больше давление в камере сгорания, тем меньше тпр, поскольку с по­ вышением ра процесс сгорания топлива интенсифицируется.

Для заданного топлива тпр в основном обусловливается гидро­ динамикой распылительной головки камеры двигателя (формой го­ ловки, числом форсунок, их типом и расположением на головке и др.), т. е. зависит от:

1)характера распределения компонентов топлива по попереч­ ному сечению камеры сгорания;

2)степени распыла компонентов и взаимного их смешения и

3)образования упомянутых выше конвективных обратных газовых токов, переносящих тепло от очага горения ко вновь поступив­ шим в камеру компонентам топлива для их нагрева и испарения.

Время пребывания топлива в камере сгорания двигателя можно

определить по формуле

мере сгорания при данном секундном расходе Gs кг/сек зависит от

При проектировании ЖРД рациональный выбор объема камеры сгорания иногда сводится в сущности к отысканию величины Тщ,

в области Тпр/Таг^24-3, оптимальной как по физической полноте сгорания топлива, так и по удельному весу камеры двигателя. Чем меньше тПР, тем меньше объем, вес и стоимость камеры сгорания двигателя. Поэтому при проектировании двигателя следует всемер­ но стремиться к тому, чтобы получить возможно меньшие размеры камеры сгорания при высокой экономичности ее работы.

Величину Тпр можно уменьшить без снижения экономичности работы камеры двигателя за счет:

1)повышения давления в камере, способствующего интенси­ фикации процесса сгорания топлива;

2)улучшения качества распыла компонентов топлива без зна­

чительного усложнения и удорожания распыливающего устройст­ ва (применения тонкого и равномерного по сечению камеры распы­

ла, эмульсионных форсунок, противоточного распыла и др.); 3) усиления турбулентности газового потока постановкой в ка­

мере сгорания охлаждаемых турбулизаторов и т. д.

Механизм реакции горения разных топлив в газовой фазе разли­ чен. Но во всех случаях, для того чтобы процесс горения мог на­ чаться, требуется тонкое и равномерное перемешивание компонен­ тов топлива.

Скорость движения фронта пламени через химически реагирую­

щую смесь зависит в основном от турбулентного переноса масс газовыми вихрями и лишь в незначительной степени —• от истинной скорости движения пламени через дискретные объемы перемешан­ ного газа внутри каждого вихря.

Распространение фронта пламени через несгоравшую газооб­ разную топливную смесь, вероятно, частично вызывается происхо­

дящей с большой ’скоростью диффузией определенных активных групп молекул или атомов, таких, как, например, ОН, N, Н или СН2, которые образуются в процессе горения топлива. Вероятно, эти ак­ тивные частицы действуют как носители цепной реакции.

Процессы сгорания самовоспламеняющихся при смешении ком­ понентов топлива качественно отличаются от кратко описанных выше процессов сгорания несамовоспламеняющихся компонентов.

Эти компоненты топлива воспламеняются при взаимном контакте и не требуют тепла на предварительную подготовку к сгоранию; для них относительно меньше потребное тПР.

При организации рабочего процесса в камере сгорания двига­ теля необходимо иметь в виду, что:

1) сгоранию топлива всегда должны предшествовать тонкий

распыл, подогрев и испарение и хорошее перемешивание компонен­ тов между собой;

1224 Гл. 6. Рабочие процессы в камерах ЖРД

2) перемешивание горючего и окислителя в жидких фазах не является обязательным, если до испарения их капли хорошо между собой перемешиваются (в эмульсионных двухкомпонентных цен­

тробежных форсунках);

3)процесс смешения компонентов топлива имеет ярко выра­ женный гидродинамический характер и определяется в основном условиями протекания турбулентной диффузии и теплообмена;

4)скорость испарения компонентов топлива определяется тем­ пературой и давлением в камере сгорания, размерами капель и от­ носительной скоростью движения компонентов, турбулентностью газового потока и другими факторами;

5)в начале камеры сгорания, где температура смеси сравни­ тельно невысока вследствие интенсивного испарения компонентов, реакции топлива протекают медленно, образуется некоторая часть

горючей смеси, которая впоследствии сгорает почти кинетически

независимо от гидродинамических факторов;

6) поля скоростей и концентраций компонентов топлива по по­ перечному сечению камеры сгорания никогда не бывают совершен­ но однородными и зависят в основном от конструкции распыли-

вающего устройства;

7) в практических условиях химические процессы редко дохо­ дят до состояния равновесия; степень полноты химических реак­ ций зависит в основном от скорости протекания реакции, величины теплового эффекта, скорости теплоотвода или теплоподвода, дав­ ления, температуры и концентрации реагентов;

8) фронт пламени сгорания топлива не является простой по­ верхностью, пересекающей поперечное сечение камеры сгорания,

и скорость движения его через химически реагирующую смесь за­

висит в основном от турбулентного переноса масс газовыми ви­ хрями и лишь в незначительной степени — через дискретные объ­ емы перемешанного газа внутри каждого вихря;

9) механизм химических реакций в газовой фазе различен для каждого конкретного топлива, особенно для самовоспламеняю­

щихся и несамовоспламеняющихся компонентов топлива;

10)скорости протекания химических реакций весьма велики, и

поэтому сгорание топлива определяется в основном скоростью об­ разования горючей смеси (перемешиванием компонентов топлива);

11)время смешения компонентов топлива в зоне турбулентно­ го горения мало зависит от скорости газового потока и определяет­ ся в основном турбулентностью потока, зависящей от распыли-

вающих устройств двигателя и характера самого горения данного

топлива;

12)при увеличении давления в камере процесс сгорания ин­ тенсифицируется и поэтому время сгорания уменьшается;

13)время пребывания данных компонентов топлива в камере

сгорания определяется в основном гидродинамикой распыливающего устройства двигателя;