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

рительному распылу компонентов топлива и, следовательно, к не­ устойчивой работе двигателя.

Если при работе двигателя на минимальном режиме перепад

давлений компонентов топлива в форсунках принять равным 2—

3 кг/см2, то при этом перепад давлений в форсунках на режиме но­ минальной тяги окажется резко завышенным (может быть в 5—10

раз больше, чем на режиме минимальной тяги), что весьма невы­ годно из-за относительно большого веса системы топливоподачи. Поэтому регулирование тяги двигателя изменением перепада дав­ лений компонентов топлива в форсунках может быть оправдано только в небольшом диапазоне.

Выполнить все перечисленные выше требования к распыливающему устройству ЖРД можно путем правильного проектирования и конструирования головки камеры двигателя, т. е. целесообразным выбором ее формы, типа форсунок, их параметров, числа и схемы

расположения на головке и т. д.

При практическом решении этой задачи конструктор должен

хорошо знать процессы смесеобразования и сгорания различных топлив в камере и правильно учитывать различные факторы, влия­ ющие на протекание этих процессов. Только при этом условии мо­ жет быть создано высококоэффективное распыливающее устрой­ ство двигателя.

Правильная организация распыла компонентов топлива в ЖРД

позволяет уменьшить объем камеры сгорания, ее габариты и удель­ ный вес, повысить надежность, ресурс, экономичность и устойчи­ вость работы двигателя. Качественное смесеобразование также об­ легчает условия зажигания топлива при запуске двигателя и сни­ жает число аварий.

§ 2. Способы распыла компонентов топлива в ЖРД

Способ распыла зависит от конструкции распыливающего устройства (головки камеры). В современных ЖРД применяются следующие основные способы распыла компонентов топлива.

1. Струйный распыл, т. е. через небольшие отверстия диамет­

ром 1—2,5 мм, просверленные либо непосредственно в головке каме­

ры двигателя так, что струи горючего и окислителя сталкиваются

между собой и дробятся на мелкие капли, либо в специальных фор­ сунках, монтируемых на головке камеры.

Этот способ распыла применяется в двигателях малой и сред­ ней тяги благодаря своей простоте, удовлетворительному смешению и равномерному распределению компонентов топлива по попереч­ ному сечению камеры сгорания. Его можно применить для распыливания различных по виду топлив.

2. Центробежный распыл, т. е. центробежными форсунками (фиг. 8. 2).

23 371

354 Гл. 8. Расчет и проектирование распиливающих устройств ЖРД

Этот способ распыла, видимо, является наиболее совершенным

ипоэтому преимущественно применяется в азотнокислотных и дру­ гих типах двигателей. Форсунки устанавливают в головке камеры

так, чтобы обеспечить возможно лучшее перемешивание горючего

иокислителя; с этой же целью увеличивают число форсунок.

3.Предкамерный распыл, т. е. распыл компонентов топлива ча­

стично через обычные отверстия в стенках предкамер камеры дви­

гателя и частично через специальные струйные и центробежные форсунки, ввернутые в резьбовые отверстия в стенках этих же предкамер (подобно двигателю А-4). Горючее и окислитель переме-

Фиг. 8. 2. Принципиальные схемы центробежной форсун­ ки с завихрителем (слева) и тангенциальной (справа).

шиваются посредством диффузии и турбулентности перед поступле­

нием в камеру сгорания. Этот способ распыла достаточно эффектив­ ный, но выполнение его относительно сложно.

4.Сочетание центробежного и струйного распылов.

Ни один из существующих в настоящее время способов распыла компонентов топлива в ЖРД не может считаться совершенным и

успешно применимым во всех случаях. В каждом отдельном случае способ распыла необходимо выбирать с учетом ряда конкретных условий.

На выбор того или иного способа распыла и конструкции распы­ лительной головки камеры двигателя могут влиять следующие фак­ торы:

1)свойства компонентов топлива;

2)величина абсолютной тяги, продолжительность и программа работы двигателя;

3)величина давления газов в камере сгорания;

4) технология изготовления распылительной головки камеры и др.

Распыливающее устройство оказывает существенное влияние на интенсификацию процесса сгорания топлива, устойчивость и эффек­

тивность работы, габариты и удельный вес камеры сгорания двига­

теля.

Целесообразно выполненная конструкция распылительной голов­ ки камеры во время работы двигателя характеризуется показате­ лями:

1)огсугствием «полосчатого» или локализованного горения топ­

лива;

2)плавным запуском и устойчивым горением топлива в широ­ ких диапазонах изменения давления в камере сгорания (секундного

расхода топлива); 3) малым перепадом давления впрыска компонентов топлива

в камеру сгорания и небольшим влиянием его величины на каче­

ство распыла;

4)небольшими удельными тепловыми потоками от газов к обо­ лочке камеры сгорания двигателя;

5)высоким коэффициентом полноты сгорания топлива.

Эти показатели практически можно получить только при усло­

вии выполнения жестких требований, предъявляемых к распыливающему устройству двигателя.

§ 3. Типы топливных форсунок

Топливные форсунки ЖРД представляют собой весьма важные

органы смесеобразования горючего и окислителя, подаваемых в ка­ меру сгорания. От типа и конструкции форсунок в значительной мере зависит качество процесса смесеобразования.

Применяемые в двигателях форсунки в большинстве случаев не имеют специальной регулировки тонкости распыла, а некоторые из них вообще обладают невысокими качественными характеристи­ ками.

Топливные форсунки ЖРД можно разделить по следующим ха­ рактерным признакам.

1. По числу распыливаемых компонентов топлива одной фор­ сункой:

а) однокомпонентные форсунки, предназначенные для распыла одного компонента топлива, и

б) двухкомпонентные форсунки, предназначенные для одновре­ менного распыла двух компонентов топлива.

2.По принципу действия форсунки:

а) струйные форсунки/ подающие жидкость в камеру сгорания

в виде струек в направлении своей оси;

б) центробежные форсунки, в которых движущаяся под напо­ ром давления жидкость закручивается и за счет развиваемого при этом центробежного эффекта вытекает с определенной скоростью в камеру сгорания в виде тонкой и легко разрушающейся кониче­ ской пленки;

в) центробежно-струйные форсунки (смешанного типа). Двух­ компонентные струйные форсунки, все типы центробежных форсу­ нок и центробежно-струйные конструктивно выполняются в виде

23*

356 Гл. 8. Расчет и проектирование распиливающих устройств ЖРД

отдельных узлов, устанавливаемых в отверстиях головки камеры двигателя.

Струйные форсунки конструктивно делятся на:

1) одноструйные, представляющие калиброванные отверстия в

головке камеры диаметром на выходе жидкости в камеру сгорания

0,84-2,5 мм\

Фиг. 8.3. Принципиальные схемы элементов струйного распыла компо­ нентов топлива.

2) двухструйные, предназначенные для распыла одного данного

компонента топлива в виде двух соударяющихся между собой струй

(фиг. 8. 3);

3) трехструйные, предназначенные для распыла двух компонен­ тов топлива в виде одной центральной струи горючего и двух боко­ вых струй окислителя, расположен­

Центробежные форсунки по способу получения закрутки в них потока жидкости делятся на:

а) тангенциальные, в которых жидкость входит в полость фор­ сунки через отверстие, ось которого перпендикулярна к оси форсун­ ки, но не пересекается в ней, в результате чего распыливаемая жидкость получает закручивание относительно оси форсунки, спо­ собствующее распаду ее на капли (см. фиг. 8. 2);