390 Гл. 8. Расчет и проектирование распиливающих устройств ЖРД
Из формулы объема цилиндрической камеры сгорания двига теля вида
,у |
-к-'К- К |
Л^ф/?к7'к |
. |
|
ф--Л- |
к |
|||
|
Рк Рк |
4 |
Л |
hк.с |
|
|
|
||
следует, что количество форсунок п выбранной производительности Оф и шага между ними t при неизменных значениях dK и /Ео почти обратно пропорционально рк или при неизменных значениях pR и /к.с
прямо пропорционально d2K , а |
обратно пропорционально рг при |
неизменных прочих параметрах этой формулы. |
|
Если при увеличении тяги |
двигателя шаг между форсунками |
не изменяется, то и длина пути перемешивания компонентов топ лива также остается почти постоянной. В этом случае при переходе на весьма большие тяги могут возникать чисто технологические трудности, связанные с необходимостью выполнить головку каме ры с несколькими тысячами форсунок.
Так как при повышении давления в камере сгорания соответ
ственно увеличивается расходонапряженность последней, то при постоянстве шага между форсунками должна расти производи тельность каждой форсунки. В силу этого потребуется большая длина камеры сгорания двигателя для завершения в ней рабочего процесса. Но относительно длинные камеры сгорания неприемлемы вследствие возможности возникновения в них продольно-акустиче ских колебаний. Поэтому с целью уменьшения длины камеры сго
рания целесообразны двухкомпонентные эмульсионные форсунки, при применении которых уменьшается потребная длина зоны пе ремешивания компонентов топлива в камере.
Конструктивное оформление подвода компонентов топлива к форсункам в значительной мере зависит от их типа и выбранной формы головки камеры двигателя.
Например, в ЖРД с предкамерной головкой типа двигателя
А-4 в центре каждой предкамеры или головки устанавливают мощ
ную струйную форсунку с большим числом отверстий для подачи окислителя, а вокруг нее — форсунки горючего струйного и струй но-центробежного типов.
В азотнокислотных двигателях головка камеры может состоять из трех днищ, из которых два плоских образуют нижнюю полость для подвода к форсункам того компонента топлива, который охлаждает камеру, а третье — шарообразное днище со средним днищем головки этого двигателя — образует вторую полость го ловки, в которую из бака подается второй компонент топлива для распределения его по форсункам.
В головках камер с концентрическим расположением форсунок компоненты топлива подводятся в соответствующие коллекторы,
объединяющие отдельные пояса форсунок. При этом обеспечивает ся примерно одинаковый перепад давлений компонента в форсун ках одного концентрического пояса.
§ 8. Размещение топливных форсунок на головке камеры двигателя |
391 |
При необходимости размещения на головке камеры запального устройства, а также устройств для продувки камеры и т. п. необ ходимо по возможности ограничивать площадь, занимаемую эти
ми устройствами, так как они отнимают полезную |
площадь для |
||
расположения форсунок, нарушают равномерное |
распределение |
||
компонентов топлива по поперечному |
сечению |
камеры сгорания |
|
и ухудшают использование ее объема. |
Кроме |
того, компоненты |
|
топлива, выходящие из форсунок, образуют перед |
головкой «хо |
||
лодную» зону, которая защищает головку от высоких тепловых по токов. При наличии на поверхности головки больших площадей,
не защищенных компонентами от воздействия высоких темпера тур, легко может прогореть головка в тех местах, где помещены упомянутые устройства, так как наружное охлаждение головки не эффективно вследствие малой скорости движения в ней жидкости.
По этой причине необходимо по возможности избегать установки на головке камеры каких-либо устройств, кроме форсунок.
После выбора способа размещения форсунок на головке каме ры, производят общую геометрическую компоновку головки и не обходимые поверочные расчеты.
Спроектированная и выполненная головка камеры должна обеспечить расчетный состав топлива даже и в том случае, когда
общий расход |
компонентов топлива |
через форсунки |
несколько |
|
изменится, т. е. головка камеры должна удовлетворять условию |
||||
|
Gs О |
Ф-° ^‘ZgSpo'to |
РсЛф.о V kpolo |
|
Zpac4 |
Gs г |
ИгЛц.г ZZg^Prlr |
const. (8.35) |
|
Иг^7ф.г &Рг1г |
|
|||
|
|
|
|
|
При гидравлических испытаниях головки камеры на |
воде для |
|||
определения гидравлического сопротивления, выяснения характера столкновения струй, размеров образующихся капель, состава смеси и других характеристик распыла уг— То и Дрг=Др0, и поэтому уравнение (8. 35) для коэффициента весового состава смеси прини мает вид
Ро^7ф.о
(8.36)
щ/7ф.г
Величину замеренную при гидравлических испытаниях головки на воде, пересчитывают на рабочие компоненты топлива
умножением ее на выражение 1/ —7о-.
V bPrlr
После выбора конструктивной схемы двигателя, формы каме ры, ее головки, количества форсунок и схемы их расположения не обходимо произвести поверочные расчеты камеры сгорания для
определения коэффициента состава топлива по поперечному сече нию и средней удельной тяги двигателя.
$ 8. Размещение топливных форсунок на головке камеры двигателя ЗЭ?
ментов с механической обработкой, поскольку сварные конструк
ции всегда легче и дешевле в изготовлении. Только в двигателях многоразовых запусков и относительно большого ресурса работы приходится применять некоторые разъемные соединения для удоб ства осмотра их деталей и элементов после определенного проме жутка работы и замены поврежденных деталей новыми перед по вторным запуском двигателя.
Глава 9
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ ЖРД
Надежное охлаждение камеры является наиболее важным и трудно разрешимым вопросом при создании длительно работа ющих двигателей. Объясняется это тем, что в камере сгорания ЖРД в весьма короткое время обычно сгорает огромное количе
ство топлива при высоких давлениях |
(около 15—60 ата} и темпе |
||
ратурах (примерно 3000—4450° К), а |
также при |
больших |
скоро |
стях течения газа (от 40—300 м/сек |
в камере |
сгорания |
и до |
2000—3000 м/сек — на срезе сопла). Образующееся при этом тепло в единице объема камеры сгорания достигает огромных величин
(до 106—109 ккал/м2 час}.
Соответствующие этим условиям работы двигателя огромные тепловые потоки от газа к оболочке камеры, достигающие иногда в критическом сечении сопла 28 • 106 ккал/м2 час, вызывают быст рый ее разогрев и потерю необходимой прочности, даже и в том случае, если она выполнена из самого жаростойкого материала.
Съем с оболочки камеры столь мощных местных удельных теп ловых потоков практически представляет огромные трудности. Эти трудности в дальнейшем будут возрастать вследствие непрерывно го стремления конструкторов ЖРД повысить удельную тягу дви гателя за счет увеличения давления газа в камере сгорания, при менения высококалорийных топлив и проведения ряда других меро приятий.
Сложность решения задачи охлаждения ЖРД при его проекти
ровании и доводке усугубляется еще и тем, что процессы тепло-
•обмена в камере зависят от большого числа факторов, количе ственный учет влияния которых на теплообмен пока затрудните-
.лен. Теплообмен в ЖРД еще мало изучен.
Так как пока невозможно теоретически полно установить физи
ческие свойства газов по длине камеры сгорания и сопла двигате ля, учесть в них работу трения и другие явления, то и невозможно точно рассчитать охлаждение камеры двигателя. По этой же при чине еще нет установившейся методики расчета охлаждения ка мер ЖРД.
Существующие методы расчета охлаждения ЖРД, основанные 1на гидродинамической и газодинамической теориях, пока не дают