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

362 Гл. & Расчет и проектирование распиливающих устройств ЖРД

пыливаемую жидкость или образовавшимися в ней вследствие ее физической и химической нестойкости.

Для изготовления топливных форсунок в виде отдельных узлов

применяются различные материалы, от низко- и высоколегирован­ ных сталей до бронзы и латуни.

Выбор материала для форсунок обусловливается видом и со­ стоянием распиливаемых компонентов топлива, продолжительно­ стью и условиями работы двигателя, числом его запусков, требо­ ваниями прочности и другими факторами.

В случае применения химически активных компонентов топлива

(например азотной кислоты, жидкого фтора и т. п.) внутренняя

■поверхность материала форсунок должна обладать высокой сопро­

тивляемостью окислению и коррозии. Если у головки камеры дви­

гателя будет значительная турбулизация горячих газов, вследствие которой в ряде мест форсунки будут нагреваться до 1300—1400° С,

то материал этих форсунок должен обладать также высокой проч­ ностью. При высокой температуре возможно оплавление сопел фор­

проходящей через них распыливаемой жидкости. Температура этой жидкости перед поступлением в форсунки может быть отрицатель­ ной (в случае использования сжиженных компонентов топлива)

и положительной, иногда даже близкой к температуре кипения при данном рабочем давлении, если жидкость предварительно исполь­ зуется для охлаждения камеры двигателя.

§ 4. Факторы, влияющие на качество распыла компонентов

топлива

На качество распыла компонентов топлива в ЖРД влияют сле­ дующие факторы:

1)формы головки камеры сгорания;

2)тип, конструкции, количество и производительность топлив­

ных форсунок; 3) схема расположения форсунок на головке камеры;

испарения, теплоемкость и др.);

6)давление, температура и другие физические свойства газо­ вой среды в камере сгорания, а также характер ее движения;

7)форма камеры сгорания и ее геометрические размеры;

8)устойчивость работы системы топливоподачи;

9)режим работы двигателя и др.

ние каждого из компонентов топлива по сечению камеры, тонкость распыла их и взаимное смешение, а также интенсивность конвек­ тивных токов газа, переносящих тепло от факела на подогрев

и испарение горючей смеси. Плоская головка с равномерным рас­ положением форсунок обычно обеспечивает равномерное по сече­ нию камеры начальное распределение компонентов топлива.

Неравномерное распределение компонентов топлива по сечению камеры сгорания, концентрация их в отдельных местах обычно при­

горения используется лишь часть объема камеры сгорания. Анало­ гичное явление может иметь место и в том случае, когда на плоской головке камеры расположено малое число фюрсунок.

В результате этого в объеме камеры сгорания имеют место не­ одинаковые скорости испарения, перемешивания и сгорания ком­ понентов топлива. По этой же причине в камере сгорания ЖРД на­ блюдается не сплошной, установившийся, а как бы рваный, пере­ брасывающийся в объеме фронт пламени, потому что наиболее

интенсивное выгорание топлива идет локально, по отдельным оча­ гам, в которых состав горючей смеси в тот или иной момент оказы­ вается близким к стехиометрическому и подготовлен к сгора­ нию.

Этим, кстати, и объясняются непрерывные пульсации в пламени ЖРД, наблюдаемые при помощи спектроскопа и определенные по замерам давления в камере сгорания даже при установившемся ре­ жиме работы двигателя.

Следовательно, равномерное распределение горючей смеси по сечению камеры сгорания, получаемое при равномерном располо­

к увеличению полноты сгорания. В реально работающих двигате­

приводит к существенному увеличению полноты сгорания и удель­

ной тяги двигателя.

Увеличение числа форсунок до определенного предела за счет уменьшения их производительности приводит к более тонкому рас­ пылу и более равномерному распределению компонентов топлива

по поперечному сечению камеры сгорания и, следовательно, к бо­ лее быстрому их испарению, смешению и сгоранию топливной сме­

си. При этом Руд сначала увеличивается резко, а после определен­

364 Гл. 8. Расчет и проектирование распиливающих устройств ЖРД

ного предела увеличения числа форсунок рост ее не наблюдается (фиг. 8. 9).

Подобрав группы струйных форсунок с достаточно малым диа­

метром струй и хорошим смешением компонентов, можно получить,

как и с центробежными форсунками, совершенное начальное пере­ мешивание и практически полное сгорание компонентов топлива.

При подаче топлива через однокомпонентные центробежные фор­ сунки компоненты смешиваются частично в газовой фазе.

Фиг. 8. 9. Влияние некоторых факторов на качество распыла форсунками ком­ понентов топлива.

Примерное изменение среднего диаметра капель керосина dcP при его распыле центробежной шнековой форсункой в зависимости от перепада давления в ней, а также времени сгорания топливной смеси тСг в зависимости от диаметра ЛР.

Целесообразно начинать смешение компонентов топлива еще в жидкой фазе, так как для смешения газов требуется значительно больший объем, чем для смешения жидкостей. С этой целью лучше

применять двухкомпонентные эмульсионные форсунки, которые обеспечивают почти совершенное начальное смешение компонентов топлива до поступления их в камеру сгорания. При этом хороший

распыл достигается при меньшем числе форсунок и не требуется интенсивное перемешивание распыленных компонентов в камере сгорания. При работе двигателя форсунки подают горючее и окис­ литель в среду продуктов сгорания и несгоревших газов, которые находятся вблизи головки камеры двигателя. Образующиеся при этом капли компонентов топлива увлекают за собой прилегающие слои газов, вызывая между форсунками, внутри конусоз распыла форсунок и у стенок камеры конвективные токи газов, которые яв­ ляются основными источниками тепла, необходимого для испарения и поджигания горючей смеси.

обычных схем разрушают пристеночную газовую завесу горючего. Кроме того, у головок камер таких двигателей в местах пересече­ ния конусов распыла форсунками компонентов топлива могут со­ здаваться зоны, приводящие при определенных условиях к дето­ нации.

Сверх определенного предела увеличения количества форсунок меньшей производительности повышается концентрация жидкой

фазы у головки камеры и ослабляется интенсивность конвективных

токов газа, имеющих место в начале камеры сгорания. Переноси­ мое ими тепло из очага горения к распыленным компонентам топ­ лива уменьшается. В результате этого развитие горения затруд­

няется, так как увеличивается время топливоподготовительных про­ цессов. Кроме того, размещение большого количества форсунок на головке камеры связано с большими технологическими усложне­ ниями, так как практически весьма трудно просверлить форсуноч­ ное отверстие диаметром меньше 0,8 мм (в случае струйной фор­ сунки) или расположить на головке центробежные и многоструй­ ные форсунки с шагом между ни(ми меньше 10—111 мм.

При малом числе форсунок большей производительности полу­ чается крупный распыл компонентов топлива и неравномерное рас­

пределение их по поперечному сечению камеры сгорания. При этом не полностью сгорает топливо, плохо используется объем камеры сгорания и даже возможен пульсационный режим работы двига­ теля.

Качество смесеобразования зависит не только от параметров, конструктивных характеристик форсунок и их числа, но и от схемы

расположения форсунок на головке. На выбор схемы расположе­ ния форсунок существенно влияют весовое соотношение окислителя

к горючему и характер распределения этого соотношения по попе­

речному сечению камеры сгорания. В случае чрезмерных тепловых потоков в камере ее головка должна также обеспечивать постоян­ ство коэффициента избытка окислителя в центральной части горю­ чей смеси и заниженное значение его у поверхности оболочки ка­ меры сгорания. Схема расположения форсунок на головке камеры также зависит от того, какой компонент топлива принят для охлаж­ дения камеры сгорания и сопла двигателя.

При повышении перепада давлений компонентов топлива в фор­ сунках смесеобразование улучшается вследствие более тонкого дробления их на капли (см. фиг. 8. 9). При этом также повышается устойчивость работы двигателя. От перепада давлений в форсун­ ках зависит скорость впрыска компонентов топлива в камеру дви­ гателя. Чем больше скорость впрыска компонентов топлива в газо­

ность и вес системы топливоподачи. При определенных условиях

366 Гл. 8. Расчет и проектирование распиливающих устройств ЖРД

компонентов топлива вначале увеличивается быстро, а затем все медленнее и в области больших перепадов (6 кг!см2 и выше) — совсем незначительно. Поэтому существует перепад давлений в форсунках, начиная с которого нет смысла его увеличивать. От­ сюда ясно стремление конструкторов ЖРД добиться качественно­

го распыла компонентов топлива при минимальном перепаде давлений в форсунках созданием рациональной конструкции фор­ сунок и всего распыливающего устройства двигателя. При неболь­ шом перепаде давлений в форсунках (меньше 2—3 кг!см2) значи­ тельно ухудшается смесеобразование и увеличивается неустойчи­ вость работы двигателя.

Чем меньше вязкость и поверхностное натяжение и меньшеплотность распыливаемых компонентов топлива, тем тоньше их распыл и совершеннее смешение. Чем ниже температура кипения компонентов топлива, меньше их теплоемкость и больше тепло­ творность, тем легче они испаряются, перемешиваются и сгорают,, тем меньше необходимое время пребывания их в камере сгорания- и потребный объем последней.

Плотность газовой среды существенно влияет на качество рас­ пыла компонентов топлива. Более высокое давление в камере сгора­ ния способствует более тонкому распылу компонентов топлива на мельчайшие капли, что улучшает их смешение, ускоряет подогрев,, испарение и сгорание их. В результате повышается полнота сгора­ ния топлива и уменьшается время пребывания его в камере сго­

рания.

При снижении плотности газовой среды в камере сгорания, чтоможет иметь место при изменении режима работы двигателя и не­ больших перепадах давлений в форсунках (порядка 2—3 атм)^ укрупняются капли компонентов и ухудшаются процессы их подо­ грева, испарения и сгорания.

Струи горючего и окислителя, вытекающие из форсунок, в ка­ мере сгорания двигателя обычно сталкиваются друг с другом, тор­ мозятся газовой средой и подвергаются ряду других воздействий,, в результате чего дробятся на капли, причем тем тоньше, чем боль­ ше вязкость, плотность и турбулентность этой среды.

Распад струй, выдаваемых форсунками, в основном обусловлен наличием сил сопротивления среды, в которую впрыскивается жидкость, а также наличием начальных малых возмущений на по­ верхности струи, которые распространяются вдоль нее в виде волн. При использовании центробежных форсунок к этим возмущениямдобавляются еще центробежные силы, появляющиеся в результате

вращательного по отношению к оси струи движения частиц жидкости.