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

воспламенения и плавнее нарастание давления, тем безопаснее за­ пуск и переход на рабочий режим, тем больше может быть взято отношение расхода компонентов на рабочем режиме к их расходу на пусковом режиме. Низкое качество пусковых самовоспламеняю­

щихся компонентов топлива, как правило, приводит к взрывам дви­ гателя либо на пусковом, либо на переходном режиме.

На рабочем режиме качество пусковых компонентов оказывает меньшее влияние на работу двигателя. Характер нарастания дав­ ления в камере сгорания для пусковых горючих смесей имеет не меньшее значение, чем задержка воспламенения. Медленное на­ растание давления делает более безопасным запуск двигателя и позволяет использовать пусковые компоненты с большей задерж­

кой воспламенения.

Выбор того или иного способа зажигания зависит от различных соображений, в частности, от того, будет зажигание однократным или многократным.

Из применяемых в настоящее время систем зажигания наиболь­ шую гарантию безаварийного запуска дает химическое зажигание по схеме «пушечного» запуска двигателя (см. § 3, гл. 12) однократ­ ного действия. Случаи взрывов и аварий двигателей при отказе зажигания при этом предотвращаются надежной системой авто­ блокировки, исключающей в таких, случаях попадание горючей смеси в камеру сгорания.

При «пушечной» схеме запуска двигателя взрывы могут носить совершенно случайный характер и определяться главным образом

неудовлетворительным качеством пусковых компонентов топлива.

Запуск по этой схеме обычно сопровождается резким повышением давления газов в камере сгорания двигателя.

В двигателях, работающих на самовоспламеняющихся компо­

нентах топлива, химическое зажигание при запуске осуществляет­ ся механически. При этом может отпасть надобность в устройстве какой бы то ни было системы зажигания. Однако применение са­ мовоспламеняющихся компонентов топлива имеет серьезные огра­

ничения.

Для надежного запуска двигателя время задержки самовоспла­ менения компонентов топлива не должно превышать 0,01—0,03 сек.

Для достижения таких значений времени задержки самовоспламе­ нения подбираются смеси достаточно активных самовоспламеняю­

щихся горючих и применяется активация окислителей. Например, добавка к азотной кислоте четырехокиси азота N2O4 снижает до определенного предела температуру замерзания окислителя, по­ вышает его активность, теплотворность топлива и облегчает ус­ ловия запуска двигателя. Добавка концентрированной серной кислоты H2SO4 снижает агрессивные свойства азотной кислоты

по отношению к конструкционным материалам двигателя и улуч­

шает условия запуска особенно с самовоспламеняющимся горю­ чим, но пои этом немного понижается теплотворность топлива.

344 Гл. 7. Проектирование и расчет камер ЖРД

Присадка хлорного железа РегСГ, также понижает температуру замерзания азотной кислоты и повышает ее активность при не­

большом понижении теплотворности топлива.

При запуске двигателя на большой высоте, где давление и

температура окружающей среды относительно меньше, эта за­

держка самовоспламенения может быть еще больше. Скопившаяся

в камере сгорания из-за задержки самовоспламенения горючая смесь может воспламениться, внезапно сгореть, повысить давления до чрезмерно большой величины и вызвать взрыв двигателя.

§ 16. Общие вопросы проектирования и конструирования

камер ЖРД

Предварительные расчеты отдельных элементов камеры двига­ теля с целью установления их прочностных размеров в большин­ стве случаев оказываются невозможными или мало удовлетвори­ тельными, так как нельзя предварительно точно наметить их конструкцию и размеры. Поэтому при проектировании камеры дви­ гателя приходится вначале выбрать, исходя из общих соображений,

конструктивную схему камеры, материал для ее изготовления и

ориентировочно назначить конструктивные и прочностные разме­ ры отдельных элементов, а затем произвести общую компоновку этих элементов и проверочные расчеты их на прочность.

Для того чтобы приступить к общей компоновке камеры дви­ гателя, необходимо выбрать целесообразную форму для нее, а

также для ее головки, тип топливных форсунок и схему располо­

жения их на головке, способ охлаждения камеры, форму и пред­ полагаемые геометрические размеры охлаждающего тракта. Одновременно с этим нужно решить ряд других вопросов. В част­

ности, при проектировании головки камеры следует выяснить, какие дополнительные устройства (кроме форсунок) нужно распо­ ложить на головке в связи с необходимостью обеспечения зажига­ ния топлива при запуске двигателя или его многократной работы, подвода компонентов топлива к камере и др.

После решения этих вопросов можно приступить к провероч­ ным расчетам надежности охлаждения камеры и ее отдельных элементов на прочность. Этот этап работы завершается оконча­ тельной геометрической компоновкой камеры и необходимыми по­ вторными расчетами. При этом обычно приходится выбирать наи­ более приемлемые способы подвода к камере компонентов топли­

ва и отвода жидкости из охлаждающего тракта, способы соединения отдельных элементов камеры между собой, а также крепление ее к силовой раме или непосредственно к боевому ап­

парату.

Крепление головки в камере сгорания может быть выполнено сварным или разъемным (в зависимости от назначения двигате­ ля и принятого способа распыла компонентов топлива). Соеди­

нять между собой остальные элементы двигателя во всех случаях

целесообразно посредством сварки, поскольку этот способ проще и дешевле, а вся конструкция камеры получается сравнительно легче. Разъемные соединения могут оказаться предпочтительными только для некоторых деталей двигателей многократного действия.

Вдвигателях небольшой тяги компоненты топлива подводятся

ккамере обычно по отдельным трубам. В современных двигате­ лях применяются упругие трубопроводы. При больших секундных расходах топлива в камеру каждый из компонентов можно под­ водить по нескольким трубопроводам, чтобы обеспечить более равномерную подачу их к форсункам. Компонент топлива, исполь­ зуемый для охлаждения камеры, часто подводят к коллектору

сопла камеры по трем или более трубопроводам, чтобы обеспе­ чить равномерное начальное течение жидкости в охлаждающем тракте.

Коллектор подвода жидкости в охлаждающий тракт камеры является узлом жесткости сопла. Подводящие патрубки коллекто­ ра должны иметь возможно простую конфигурацию. Узел соеди­ нения оболочек сварной камеры с головкой нужно стремиться вы­ полнить возможно простой и дешевой конструкции, без примене­ ния специального механически обрабатываемого кольца.

Отвод жидкости из тракта в головку камеры может быть не­ посредственным (подобно двигателю А-4) или при помощи не­ скольких патрубков (в случае съемной головки камеры).

В предфорсуночном пространстве головки камеры двигателя иногда целесообразно устанавливать распределитель жидкости, чтобы избежать неравномерного давления жидкости перед фор­ сунками вследствие ее скоростного напора на выходе из подводя­ щего трубопровода.

При конструировании камеры ЖРД следует учитывать предъ­

являемые к ней требования, тяжелые условия работы отдельных элементов, а также необходимость их точного изготовления. Нуж­ но учитывать температурные расширения отдельных частей ка­ меры, чтобы избежать снижения запаса прочности металла вслед­

ствие появления в нем во время работы двигателя больших тем­ пературных напряжений.

При конструировании камеры ЖРД любой формы главным является обеспечить ее прочность и предохранить от прогара во время работы. Прочность камеры и устойчивость ее формы обыч­ но обеспечиваются подбором необходимой толщины оболочек и применением различных видов крепящих элементов. В качестве последних могут служить либо продольные ребра на оболочке,

либо ребра, выполненные в виде многозаходных квадратных вин­ тов с небольшим шагом; эти ребра также облегчают охлаждение камеры двигателя. Иногда может оказаться, что таких креплений недостаточно. Тогда в качестве крепящих элементов можно при­ менить пояса типа бандажей.

крепления его к аппарату. Узлы для крепления камеры к силовой

раме или к боевому аппарату обычно устанавливают вблизи го­

ловки камеры, где прочность металла меньше ослаблена вследст­ вие нагревания. Эти узлы должны надежно выдерживать тяговые,

Двигатели аппаратов, предназначенных для быстрого измене­ ния направления полета и испытывающих вследствие этого боль­ шие поперечные ускорения (зенитные снаряды, самолеты), по воз­ можности следует крепить вблизи их центра тяжести, уменьшая этим величины изгибающих моментов в опорах крепления.

Крепление двигателя к аппарату зависит от конструкции, га­ баритов двигателя и величины его тяги, типа боевого аппарата и других факторов и поэтому обычно имеет разнообразное кон­ структивное выполнение. В-ряде существующих аппаратов это крепление выполнено посредством специальных рамных ферм или косынок.

Вопросы, связанные с проектированием и конструированием камеры двигателя, обычно решают в следующем порядке:

1)определяют объем камеры сгорания;

2)выбирают форму камеры сгорания и форму ее головки, тип

топливных форсунок и схему расположения их на головке;

3)выбирают способ крепления головки к камере сгорания;

4)производят общую геометрическую компоновку камеры

двигателя;

5)выбирают способ охлаждения камеры, форму и размеры охлаждающего тракта и производят проверочный расчет надеж­

ности охлаждения;

6)выбирают схему оболочек камеры, конструкционные мате­ риалы для них, для головки камеры и других ее элементов;

7)выбирают способы компенсации температурных линейных уд­

линений элементов камеры и принимают решение об их конструк­ тивном выполнении;

8)выбирают способы подвода охлаждающего агента к соплу камеры и отвода его из охлаждающего тракта к головке;

9)производят гидравлический расчет охлаждающего тракта

камеры; 10) выбирают способ запуска двигателя и уточняют конструк­

тивные элементы, которые в связи с этим необходимо расположить на головке камеры;

11) выбирают способ и места опор крепления камеры к сило­

вой раме или непосредственно к боевому аппарату;

12)выбирают технологический процесс изготовления камеры и ■определяют технологичность конструкции;

13)производят окончательную компоновку камеры двигателя и проверочные расчеты ее на прочность и устойчивость работы.

Этим перечнем не исчерпываются все вопросы, решаемые при

проектировании и конструировании камеры двигателя.

Глава 8

РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ РАСПИЛИВАЮЩИХ УСТРОЙСТВ ЖРД

На работу ЖРД большое влияние оказывает распыл компонен­ тов топлива, так как от качества распыла зависят объем камеры сго­ рания, ее удельный вес, экономичность, устойчивость и надеж­ ность работы. Процессы распыла топлива в двигателях еще мала изучены из-за весьма большой их сложности.

Теоретические исследования механизма распыла компонентов топлива в работающем двигателе при их одновременном нагрева­

нии, испарении, смешивании между собой и частичном диффузи­ онно-турбулентном сгорании весьма затруднены. Поэтому в на­

стоящее время исследования и доводку вновь спроектированных и выполненных распылительных головок камеры в каждом отдель­ ном случае осуществляют экспериментально на работающих дви­

гателях.

Проектирование и расчет распылительной головки камеры яв­ ляются весьма важным этапом в создании целесообразной конст­ рукции двигателя.

В настоящей главе рассмотрены существующие способы рас­ пыла компонентов топлива в ЖРД, изложены требования, предъ­ являемые к распыливающим устройствам, рассмотрены факторы,

влияющие на качество распыла. При этом даны краткие предпо­ сылки для расчета распылительных головок камер двигателя и приведены сведения по выбору оптимальных расчетных парамет­ ров.

§ 1. Требования, предъявляемые к распыливающему

устройству ЖРД

Для эффективного сжигания жидкого топлива должно быть обеспечено его полное испарение в заданное время и в нужном месте камеры сгорания двигателя. Для этого в нужный момент вся масса топлива, подаваемая в камеру сгорания, должна иметь максимальную поверхность. Значительное увеличение поверхности

компонента может быть получено распылением его на мельчай­

шие частицы. Поэтому распиливающее устройство ЖРД должно обеспечивать дробление жидких компонентов топлива, подавае­ мых в камеру сгорания под определенным давлением и в соответ-