358 Гл. 8. Расчет и проектирование распиливающих устройств ЖРД
ной смеси благодаря уменьшению до минимума нереагирующих га
зовых застойных зон вблизи головки камеры, а также более каче ственному смесеобразованию при этом.
Углы, определяющие направление струй впрыска компонентов
топлива одноструйными форсунками, должны быть выбраны так,
чтобы результирующий вектор количества движения после столкно вения струй имел осевое направление, т. е. параллельное оси каме
ры двигателя.
При увеличении угла соударений струй средний диаметр ка пель уменьшается в связи с увеличением относительной скорости
Фиг. 8.6. Принципиальные схемы расходонапряженности по поперечному сечению факелов распыла струйной и цен тробежной форсунками.
струй в точке соударения. Это способствует более равномерному распределению топлива по поперечному сечению факела. Одновре менно улучшается однородность смешиваемых жидкостей.
Оптимальными углами соударения струй, создаваемых струйны ми форсунками, следует считать 80—100°, так как при больших углах значительная часть распыливаемой жидкости будет отлетать в сторону головки, что ухудшит смесеобразование, а при малых
углах соударения струй (60° и меньше) образуется резко выражен
ная неравномерность расходонапряженности в ядре факела и удли няется камера сгорания за счет увеличения зоны перемешивания компонентов.
Центробежные форсунки имеют относительно больший угол рас пыла жидкости (около 70—120°) при небольшой длине факела и дают более тонкий распыл, чем струйные форсунки; но изготов ление их относительно сложнее. Форма факела этих форсунок
в основном зависит от степени закручивания в них распыливаемой жидкости.
В центробежной форсунке жидкость поступает в камеру закру чивания по тангенциальным каналам, ось которых смещена относи
тельно оси сопла (см. фиг. 8.2). В камере закручивания жидкость
$ 3. Типы топливных форсунок |
359 |
приобретает интенсивное вращательное движение и далее поступает в сопло.
При выходе из сопла форсунки тонкая пленка жидкости, на ко торую прекратилось действие центростремительных сил, делится на капли, разлетающиеся по прямолинейным траекториям, образуя
факел. Угол факела и коэффициент расхода центробежных форсу нок обусловлены законом сохранения момента количества движе ния жидких частиц относительно оси сопла. На указанные пара метры можно действовать соответствующим выбором соотношений
а) Форсунка, с внешним сме |
6) Форсунна с внутренним смешением |
шением живностей |
жидкостей(эмульсионная форсунка) |
Флг. 8. 7. Принципиальные схемы двухкомпонентных центробежных форсунок.
между размерами сопла, камеры закручивания и входных каналов. В настоящее время наибольшее применение в двигателях полу чили однокомпонентные центробежные форсунки благодаря их надежной работе и достаточно эффективному распылу. Кроме того, в этих форсунках в широком диапазоне можно изменять угол распыла для наиболее равномерного распределения компонентов
топлива по поперечному сечению камеры сгорания.
Двухкомпонентные центробежные форсунки по способу сме шения компонентов топлива делятся на два типа:
1) |
со |
смешением компонентов |
топлива |
вне |
форсунки |
|
(фиг. |
8. 7, а); |
|
|
|
|
|
2) |
со смешением компонентов топлива внутри форсунки, в спе |
|||||
циальной |
смесительной |
камере |
(эмульсионные |
форсунки) |
||
(фиг. |
8. 7, б). |
|
|
|
|
|
Существуют также конструкции |
двухкомпонентных |
форсунок, |
||||
в которых компоненты топлива смешиваются в сопле форсунки. Форсунки первого типа выполняются соосными, одна в другой.
Сопло внутренней форсунки вписывается зазором в воздушный вихрь наружной форсунки. Чтобы обеспечить хорошее смешение компонентов топлива, угол распыла внутренней форсунки (2а) дол жен быть больше угла распыла наружной форсунки (2а').
Форсунка второго типа состоит из |
двух расположенных друг |
за другом форсунок. Задняя форсунка |
служит для окислителя |
л рассчитывается обычным путем. |
|
360 Гл. 8. Расчет и проектирование распиливающих устройств ЖРД
Размеры распылительной части двухкомпонентной форсунки должны быть подобраны так, чтобы обеспечить безопасность запу
ска ее даже при входе в камеру закручивания одного из компонен тов топлива раньше другого.
Чтобы избежать взрыва двухкомпонентной форсунки, нужно исключить возможность проникновения одного из компонентов топлива в полость другого, для чего:
1)угол распыла задней форсунки подобрать так, чтобы вход ные отверстия передней форсунки находились вне полости удара
конуса распыла о стенку задней форсунки;
2)диаметр газового вихря передней форсунки должен быть больше диаметра сопла задней форсунки.
Момент количества движения в передней форсунке распростра няется на всю массу смешанной и распыливаемой жидкости.
Применение двухкомпонентных эмульсионных центробежных форсунок существенно улучшает смесеобразование и уменьшает зону распыла, так как они обеспечивают смешение компонентов топлива в заданном весовом соотношении перед подачей их в ка меру сгорания. К тому же топливная эмульсия обладает меньшими
вязкостью и поверхностным натяжением и поэтому легко дробится на мельчайшие капли.
Применение эмульсионного распыла |
компонентов топлива |
в ЖРД дает следующие выгоды: |
за счет укорочения |
а) уменьшается длина камеры сгорания |
зоны распыла; б) получается почти полное сгорание топлива при относительно
меньшем объеме камеры сгорания, а следовательно, и при мень шем ее удельном весе;
в) требуется меньшее число форсунок;
г) отпадает необходимость в большом перепаде давлений ком понентов топлива в форсунках, что имеет существенное значение для двигателей больших тяг одноразового действия, где вопросы простоты и дешевизны конструкции имеют решающее значение.
При использовании форсунок этого типа несколько затруднена защита горючим оболочки камеры от перегрева ее горячими газа
ми. В этом случае оболочку приходится защищать, устанавливая
на головке камеры периферийные однокомпонентные струйные или
центробежные форсунки.
Форсунки всех типов должны иметь хорошо обработанную по верхность, соприкасающуюся с движущейся жидкостью. Струйные
форсунки должны иметь точный угол направления оси сопла отно сительно оси камеры двигателя. Пониженные качества форсунок особенно отрицательно сказываются на качестве распыла при сни
жении режима работы двигателя относительно номинального.
Топливные форсунки всех типов характеризуются следующими гидравлическими параметрами:
1) секундной производительностью;
§ 3. Типы топливных форсунок |
361 |
2)перепадом давлений жидкости в форсунках;
3)углом факела распиливаемой жидкости, измеряемым у сре за сопла форсунки (корневым углом факела);
4)тонкостью распыла и равномерностью распределения жидко сти вокруг оси и по радиусу факела;
5)коэффициентом расхода, входящим в уравнение расхода.
Производительность единичных однокомпонентных центробеж ных форсунок ЖРД с цилиндрической камерой сгорания и плоской
головкой составляет около |
20—80 г/сек горючего и 50—200 г/сек. |
||||||
окислителя, а перепад давле |
|
|
|
||||
ний в |
форсунках—порядка |
|
|
|
|||
3,5—12 кг!см2. |
|
|
|
|
|
||
Гидравлические параметры |
|
|
|
||||
форсунок и распылительной го |
|
|
|
||||
ловки камеры определяют ис |
|
|
|
||||
пытаниями их в холодном со |
|
|
|
||||
стоянии, |
проливая через |
них |
|
|
|
||
воду. Качество работы головки |
|
|
|
||||
камеры проверяют на работаю |
|
|
|
||||
щем двигателе!. |
|
|
|
|
|
||
При испытании форсунок на |
Фиг. 8. 8. Тарировочные кривые головки |
||||||
воде определяют их производи |
|||||||
камеры двигателя с 85 однокомпонент |
|||||||
тельность в зависимости от пе |
ными |
центробежными |
форсунками |
||||
репада в |
них давлений распы- |
(31 керосиновая и 54 азотнокислотных). |
|||||
ливаемой |
жидкости, |
спектр |
|
|
|
||
распыла, тонкость и угол распыла, а также расходонапряженность по поперечному сечению факела.
Изменение производительности форсунок в зависимости от пе
репада в них давлений распыливаемой жидкости выражается пара
болической кривой (фиг. 8.8).
Тонкость распыла данного компонента может быть достаточно
точно определена методом фотографирования, |
применяемым как |
в случае применения одной форсунки, так и |
при одновременной |
совместной работе двух и более форсунок. |
|
Головки камер двигателя подвергаются гидравлическим испы таниям для изучения взаимодействия конусов распыла форсунок
и равномерного распределения соотношения компонентов и их рас хода по поперечному сечению камеры.
Чем большее число форсунок установлено на головке камеры
двигателя, тем качественнее распыл ими компонентов топлива.
Поэтому в двигателях средней и большой тяг число форсунок до
стигает нескольких сотен.
Практически число форсунок двигателя ограничивается кон структивными и другими соображениями, в частности, необходи мостью иметь не слишком малые проходные сечения каждой фор сунки. При малых проходных сечениях форсунка может легко засориться механическими примесями, попавшими случайно в рас-