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

етвующих количествах, на мельчайшие капли, быстрое и хорошее смешение их между собой. От того, насколько совершенно осу­

ществляются эти процессы, в значительной мере зависит скорость и полнота сгорания образующейся топливной смеси, величина по­ требного объема камеры сгорания, ее размеры, удельный вес, устойчивость работы и другие характеристики. Чем совершеннее

смесеобразование, тем экономичнее, устойчивее и надежнее ра­ бота двигателя.

Процесс распыла жидких компонентов топлива зависит от их физических свойств, типа и конструкции форсунок, режима их ра­ боты и других факторов.

Форсунки двигателя дробят компоненты топлива на миллиар­

ды капель, имеющих поверхность, измеряемую десятками квадрат­

ных метров.

Если, например, 1 л жидкости до подачи в камеру сгорания имеет диаметр около 0,124 м и поверхность ~0,0483 л2, то после дробления ее на капли диаметром 100 мк (10-4 м) суммарная по­ верхность жидкости увеличится почти в 1240 раз и будет состав­ лять около 60 м2.

Состояние теории смесеобразования и горения топлива в ЖРД

в настоящее время не позволяет еще производить точные расчеты

этих процессов. Поэтому при проектировании головок камеры дви­ гателя приходится исходить из необходимости удовлетворения основных требований к смесеобразованию, используя при этом результаты исследований и опыт эксплуатации.

Распылительное устройство (головка камеры) ЖРД должно

удовлетворять следующим требованиям.

1. Компоненты топлива должны быть раздроблены на капли достаточно мелко и однородно, так как от тонкости распыла за­

висят качество смесеобразования, равномерность и скорость го­ рения топлива.

В обычных схемах ЖРД тонкость распыла компонентов топли­ ва зависит от типа, конструкции и производительности форсунок, нх геометрических характеристик, перепада давлений на форсун­ ках и других факторов.

Тонкость распыла компонентов топлива является качественным

критерием смесеобразования и характеризуется средневесовым диаметром образующихся капель. Чем меньше средний диаметр капель, тем лучше распыл и полное сгорание топлива.

Однородность распыла характеризуется изменением диаметров капель в факеле распыленного компонента топлива. Чем уже пре­ делы, между которыми располагаются диаметры капелек распы-

ливаемых компонентов топлива, тем больше однородность распыла.

Часто в качестве характеристики тонкости распыла компонен­ тов топлива вводится так называемый медианный диаметр капель

т. е. такой, который соответствует диаметру половины общей массы всех капель.

ся так называемым средним диаметром капли, под которым под­

иgi— вес капель данного диаметра.

Всовременных ЖРД распыленные капли компонентов топли­

ва имеют диаметр около 25—250 мк. Это значит, что 1 см3 распыливаемой жидкости делится примерно на 6. 106 капель. В азот­ нокислотных двигателях средние весовые диаметры капель керо­ сина лежат в диапазоне 120—150 мк.

Топливо, состоящее из наиболее крупных капель, будет за­ паздывать с завершением смесеобразования и, следовательно, с завершением процесса диффузионно-турбулентного сгорания. При слишком грубом распыле, что возможно в результате неправильно­ го выполнения распыливающего устройства или регулирования тяги двигателя изменением перепада давления компонентов топли­ ва, может получиться резкое снижение эффективности процесса сгорания и неустойчивая работа.

Однако, как будет показано ниже, тонкость распыла компонен­ тов топлива сама по себе не является единственным средством улучшения качества рабочего процесса в камере сгорания двига­ теля. Система смесеобразования должна обеспечивать не только тонкий распыл и хорошее перемешивание компонентов топлива, но и организованный подвод тепла для их подогрева, испарения ц воспламенения.

2. Концентрация распиливаемых компонентов топлива по попе­ речному сечению камеры, сгорания должна быть одинаковой, так как в противном случае сгорание их будет неполным.

В начале камеры сгорания обычно получается грубо переме­ шанная горючая смесь, которая при дальнейшем движении по ка­ мере сгорания продолжает перемешиваться и становится более од­ нородной. Параллельно с этим процессом идут подогрев и испаре­ ние распыленных компонентов и выгорание образующейся горючей

смеси.

Время завершения процесса сгорания топлива определяется

главном образом скоростью смешения компонентов топлива. При прочих равных условиях смешение будет протекать тем интенсив­

нее, чем мельче газовые струйки компонентов топлива и больше

скорость их относительно друг друга. Полнота сгорания топлива в конечном итоге определится отношением времени пребывания рабочего тела в камере сгорания ко времени, потребному для за­ вершения процесса сгорания топлива.

Местные отклонения коэффициента состава топлива в камере сгорания от расчетного всегда приводят к неполноте сгорания и, следовательно, к понижению удельной тяги двигателя.

Доказано, что начальная неравномерность состава компонентов топлива в пределах шага между форсунками быстро выравнивается

без заметного снижения удельной тяги двигателя, а неравномер­

ность состава топлива при ее масштабе больше шага форсунок

обычно не успевает выравниваться и значительно снижает РуД. Для защиты оболочки камеры двигателя от перегрева иногда

горючую смесь вблизи поверхности оболочки преднамеренно обога­ щают специальной подачей через периферийные форсунки около 2—4% горючего от общего расхода его в камеру сгорания. При этом головка двигателя обеспечивает постоянство коэффициента избытка окислителя в центральной части камеры сгорания ая и за­ ниженное значение его у поверхности оболочки камеры ап.

В ряде выполненных азотнокислотных двигателей в среднем ап = =0,6 -ая.

3. Расходонапряженность топлива по поперечному сечению ка­ меры сгорания должна быть одинаковой, так как там, где расход топлива будет больше расчетного, процесс сгорания будет непол­ ным, а в местах, где этот расход окажется меньше указанного,

объем камеры сгорания будет использован неполностью. Равномерность расхода топлива по поперечному сечению каме­

ры сгорания является количественным критерием распыла компо­

нентов топлива. Этот критерий влияет на выбор формы камеры двигателя.

4. Зона смесеобразования топлива по длине камеры сгорания должна быть возможно короткой, так как в противном случае по­ требуется относительно больший объем камеры сгорания, что мо­ жет увеличить ее габариты и удельный вес.

352 Гл. 8. Расчет и проектирование распиливающих устройств ЖРД

Зона распыла компонентов лежит вблизи головки камеры, определяется типом и конструкцией форсунок и характеризуется расстоянием от головки камеры до места проникновения капель средневесового диаметра в газовую среду. Эта зона при обыч­ ных струйных форсунках имеет большую длину, чем при центро­ бежных форсунках.

Форма факела обусловливается в основном конструкцией рас­ пылительной головки камеры и дальнобойностью струи распыливаемых компонентов топлива.

5. Суммарный факел распыла компонентов топлива относитель­ но оси камеры сгорания должен быть симметричным, так как если факел горящего топлива будет бить о поверхность оболочки каме­ ры и сгорать на ней, то возможны ее перегрев и прогар. Струя окис­

лителя не должна бить по поверхности оболочки камеры, так как это вызовет быстрый ее прогар вследствие окисления металла.

Форсунки нужно расположить на головке так, чтобы результирую­ щее направление потока топлива после столкновения всех струй ■было параллельно оси камеры. Это требование особенно относится к струйным форсункам с пересекающимися струями.

Задачей конструктора является распределить форсунки на го­

ловке камеры так, чтобы при равномерном распределении компо­ нентов топлива по поперечному сечению камеры сгорания не попа­ дало много окислителя на стенки.

Уменьшения попадания компонентов топлива при распыле его

форсунками на поверхность оболочки камеры можно добиться со­

ответствующим направлением форсунок, изготовлением их со сре­

зом под углом и т. п.

6. Перепад давлений компонентов топлива в форсунках должен ■быть оптимальным как по физической полноте сгорания топлива, так и по удельному весу системы топливоподачи двигателя. При по­

нижении перепада давлений распиливаемой жидкости в форсунках уменьшаются давление подачи топлива в камеру сгорания и, сле­ довательно, мощность и вес системы топливоподачи, но при этом ухудшаются процессы смесеобразования и сгорания топлива. При повышении же перепада давлений в форсунках происходит обрат­ ное.

Удовлетворение этого требования практически сопряжено с большими трудностями, и поэтому при расчете ЖРД перепадом давлений компонентов топлива в форсунках обычно задаются на ■основании статистических данных.

7. Распыливающее устройство двигателя должно быть конструк­ тивно простым и дешевым в производстве, мало чувствительным

кизменению режима работы двигателя и к возможным вибрациям.

Краспыливающему устройству двигателя с регулируемой тягой предъявляются дополнительные требования.

Опыты показывают, что перепад давлений в форсунках мень­

ше 2 кг!см2, как и малое число форсунок, приводит к неудовлетво­