книги из ГПНТБ / Мелькумов Т.М. Теория двигателей. I. Теория ракетных двигателей. II. Применение ядерной энергии в силовых установках [учебник]

этого заключается в неравномерности расходов отдельных фор­ сунок, в неполном смешении компонентов в масштабе одного смесителя, в неравномерности размещения форсунок на головке и в результате попадания части расхода на стенки. Однако, по­ скольку форсунки на головке расположены определенными .груп­ пами, то средние значения а/ср для отдельных струй с попереч­ ным размером х, имеющим величину порядка шага между фор­ сунками , примерно одинаковы.

Исключение обычно составляет слой у стенки, поскольку здесь из-за необходимости обогащения горючим коэффициент из­ бытка окислителя уменьшается.

В дальнейшем изложении часть потока топлива (или газа) в центральной части камеры сгорания, в котором среднее значе­ ние aicp изменяется мало, будем называть ядром потока, а слой потока у стенки со значительным изменением коэффициента из­ бытка окислителя — пристеночным слоем:.

На стенку (в пристеночный слой) попадает примерно 15— 30% топлива. С ростом размеров камеры и уменьшением масшта­ ба перемешивания (шага форсунок) эта величина уменьшается.

Не только распределение а , но и распределение расходов оказывается неравномерным по сечению головки, в силу нерав­ номерности расположения форсунок, формы факелов струй из форсунок и других факторов.

В настоящее время еще не разработаны простые и надежные способы, которые позволяли бы получить кривую распределения компонентов по сечению расчетным путем, поэтому изучение рас­ пределения компонентов осуществляется экспериментально. Для этой цели делается «холодная» проливка головки. Жидкая фаза улавливается в приемные ячейки; по ее количеству определяет­ ся расход и соотношение компонентов по сечению головки.

§4.6. ОСОБЕННОСТИ НАГРЕВА, ИСПАРЕНИЯ

ИСГОРАНИЯ КОМПОНЕНТОВ

Рассмотрим более подробно схему протекания процесса в первой 'зоне камеры .сгорания ЖРД-

Распределение капель по сечению оказывается неравномер­ ным:. меняется не только местное значение коэффициента избыт­ ка окислителя а , но и число капель л на единицу объема.

Вылетающие из форсунок капли тормозятся газом, сам газ при этом начинает двигаться, увлекаясь жидкостью. Вследствие этого возникает отток газов от головки. Последний компенси­ руется соответствующим притоком газа из зоны горения в местах с малой плотностью капель* т. е. малым л. Таким образом, у го­ ловки одновременно с попутными токами образуются обратные токи газа, направленные из 'зоны горения к головке. Обратные токи приносят тепло для первоначального прогрева и испарения капель и воспламенения паров топлива и, как отмечалось, игра­

101

ют большую роль в стабилизации процесса в камере сгорания. Схема образования обратных токов показана на фиг. 4.18. Об­ ратные токи, поступая в область с малой плотностью капель, приводят к их быстрому прогреву и испарению; образовавшиеся пары в дальнейшем воспламеняются. Далее поток горячих газов у головки поворачивается и входит в зону с более плотным пото­ ком капель, в которых также протекают процессы прогрева и

испарения капель и дальнейшего воспламенения паров. Важным ус­ ловием образования обратных то­ ков является неравномерность рас­ пределения жидкости по сечению головки (неравномерность /г). По­ этому некоторая неравномерность плотности потока по сечению голов­ ки всегда является желательной для обеспечения стабильного и быстро­ го протекания рабочего процесса в камере сгорания.

По мере испарения и сгорания увеличивается скорость газов, а ка­ пли тормозятся. Когда скорость капель станет равной скорости газа, исчезнут обратные токи. Дальней­

ший прогрев и испарение капель обеспечиваются теплом за счет сгорания, идущего одновременно с испарением.

' При дальнейшем движении от головки процесс сильно интен­ сифицируется; происходит дальнейшее дробление капель за счет их нагрева и увеличения относительной скорости; увеличивается скорость испарения благодаря росту поверхности капель и уси­ ления подвода тепла к ним; в итоге растет скорость тепловыделе­ ния и преобразования исходного топлива в продукты сгорания. Вследствие этого основная масса топлива испаряется и сгорает

предполагает предварительное перемешивание окислителя и го­ рючего. Этот процесс 'в масштабе расстояния между каплями происходит очень быстро и поэтому не ограничивает развитие всего процесса в I зоне; не ограничивают процесс сгорания и ско­ рости химических реакций. Как показывает анализ, основным определяющим на данном участке камеры сгорания является процесс испарения,- включающий в себя подвод тепла к каплям, их прогрев, парообразование и диффузию паров.

При применении самовоспламеняющихся топлив тепло вы­ деляется уже при соприкосновении жидких струй окислителя и горючего. Тем не менее и здесь велика роль обратных токов, ус­ коряющих весь процесс.

102

Сгорание самовоспламеняющегося топлива протекает следу­ ющим образом. В начале, в результате выделяющегося тепла при поверхностном контакте жидких окислителя и горючего, про­ исходит образование паров и промежуточных продуктов окисле­ ния; температура в первый момент относительно невелика (около 200 — 300°С), затем она увеличивается за счет продолжающейся реакции ав парогазовой фазе, пока сгорание не завершится. Внешний теплоподвод в этом случае может ускорить реакцию.. Это свойство самовоспламеняющихся веществ обеспечивать по­ лучение очага пламени без внешнего подвода тепла использует­ ся при запуске двигателя, когда в камере сгорания отсутствует высокотемпературная зона, а также для повышения устойчиво­ сти процесса сгорания.

Первая зона занимает небольшую длину; обычно в ядре по­ тока она занимает около 100 мм. В пристеночном слое, при ма­ лых значениях коэффициента избытка окислителя, температура продуктов сгорания относительно невелика; вследствие этого процессы прогрева, испарения и сгорания здесь затягиваются на большую длину, занимая иногда всю длину камеры сгорания до сопла.

Следует отметить, что, несмотря на относительно небольшую протяженность первой зоны, процессы в ней оказывают опреде­ ляющее влияние на ход всего процесса в камере сгорания ЖРД. Действительно, во-первых, в первой зоне устанавливается опре­ деленное распределение соотношения компонентов по сечению камеры сгорания, включая пристеночный слой; во-вторых, в пер­ вой зоне формируется турбулентность, обеспечивающая переме­ шивание продуктов сгорания и выравнивание их состава в ос­ тальной части камеры сгорания, что важно для получения высо­ кой удельной тяги, в-третьих, время перехода жидких компонен­ тов в газообразные продукты (так называемое время преобразо­ вания) определяется временем, необходимым для процессов первой зоны. Время преобразования оказывает большое влия­ ние на устойчивость процесса в камере ЖРД.

В свою очередь характер протекания процессов в первой зо-, не определяется конструкцией головки, т. е. организацией смесе­ образования, которая зависит от типа, числа и размеров форсу­ нок, и взаимного расположения на головке, от формы головк». Поэтому основной путь совершенствования рабочего процесса в камере сгорания — это совершенствование процесса смесеоб­ разования, т. е. схемы головки.

Как отмечено выше, нагрев и испарение капель происходят в результате подвода тепла от горячих газов. Что касается меха­ низма подвода тепла, то здесь основное значение имеет конвек­ ция, лучеиспускание играет незначительную роль: на ее долю приходится 2—5% тепла, получаемого каплями. Следует отме­ тить, что компонент топлива, используемый для охлаждения, частично нагревается в охлаждающей рубашке двигателя.

103

Все факторы, способствующие интенсификации подвода те­ пла, должны повышать скорость процесса в первой зоне, в част­ ности, — применение самовоспламеняющихся компонентов, уменьшение размера капель, повышение давления в камере.

Если скорости испарения окислителя и горючего различны, то вследствие более раннего испарения одного из компонентов и перетекания его паров по сечению может иметь место перерас­ пределение компонентов по сечению в сравнении с тем, которое было в жидкой фазе на выходе из форсунок.Поэтому распределе­ ние а, подсчитанное по составу продуктов сгорания в конце I зо­ ны, может отличаться от того, которое получалось в жидкой фазе у головки.

Различная скорость испарения компонентов может быть вы­ звана различными размерами капель, а также различием их фи­ зических свойств. Так; например, для двигателя, работающего на азотной кислоте и керосине, вследствие того, что обычно расход через форсунку окислителя выше, чем через форсунку горючего, капли окислителя будут больших размеров. Поскольку весовая плотность азотной кислоты почти в два раза больше, чем у керо­ сина, то масса капли окислителя в данном случае в 5—8 раз вы­ ше массы капли горючего, что при прочих равных условиях для испарения требует соответственно большего подвода тепла и по­ этому большего времени испарения.

§4.7. ПЕРЕМЕШИВАНИЕ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ

В первой зоне, как отмечалось, сгорание топлива в ядре по­ тока в основном заканчивается; в пристеночном слое при малых значениях коэффициента избытка окислителя процесс сгорания может затянуться на большую длину. Состав продуктов сгорания по сечению камеры сгорания в конце первой зоны в общем случае неоднороден. В соответствии с изменением состава продуктов сгорания по сечению меняется и их температура. Неоднородность имеет место в масштабе всего диаметра (ядро и пристеночный ■слой) и, в меньшей степени, в масштабе шага между форсунками. Если различие в составе газа по сечению камеры сгорания будет значительным, то это приведет к потере в скоростй истечения и удельной тяге, так как часть химической энергии, заключенной в топливе, остается неиспользованной. Правда, различие в соста­ ве пристеночного слоя и ядра является желательным и поэтому приходится мириться с некоторыми потерями в удельной тяге ради облегчения условий охлаждения двигателя.

Во нторой зоне камеры сгорания происходит в основном вы­ равнивание состава и соответственно температур продуктов сго­ рания по сечению. Такое выравнивание совершается естест­ венным путем за счет турбулентной и молекулярной диффузии.

Основное значение имеет турбулентный перенос вещества.

'1 0 4

Степень однородности состава газов .в конце камеры зависит от степени однородности смеси (по составу и по плотности тока) в начале камеры, от интенсивности турбулентности и от длины камеры.

Турбулентность, являющаяся источником перемешивания продуктов сгорания во второй зоне, возникает в первой зоне за

Фиг. 4.19. Распределение коэффициента избыт­ ка окислителя по головке в начале (пунктирная линия) и в конце (сплошная линия) второй зоны

Степень перемешивания продуктов сгорания зависит от ин­ тенсивности турбулентности, мерой которой являются пульсационные скорости. Анализ показывает, что при интенсивности тур­ булентности, имеющей место в Ж РД и при обычных для камер сгорания длинах, перемешивание происходит в небольших мас­ штабах, имеющих порядок шага между форсунками (10—20 мм). Это означает, что в результате перемешивания сглаживаются в основном неравномерности распределения состава и температу­ ры, в масштабе шага между форсунками.

Следовательно, если в конце первой зоны распределение а, подсчитанное по составу продуктов сгорания, имеет, например, вид, показанный на фиг. 4.19 пунктиром, то к концу камеры сго­ рания (второй зоны) это распределение будет иметь примерно вид, показанный сплошной линией. Это-положение имеет важное значение для организации процесса в камерах ЖРД. Чем меньше •'масштаб неравномерности, создаваемый головкой, тем меньше необходимая длина участка выравнивания состава, т. е. длина второй зоны.

Если представить себе идеальный двигатель, у которого со­ став смеси в начале камеры сгорания одинаков по всему сечению,

105

то длина камеры сгорания этого двигателя будет наименьшейОна определяется, в основном, объемом камеры сгорания, необхо­ димым для обеспечения предварительного смесеобразования, и шириной зоны горения. С этой точки зрения уменьшение шага между форсунками при данном размере головки, т. е. увеличение числа, форсунок, является желательным. Положительное влияние в этом направлении должно оказать и применение двухкомпо­ нентных форсунок. Значительное увеличение шага.между форсун­ ками, т. е. сильное уменьшение их числа, будет уменьшать удель­ ную тягу двигателя из-за неполноты выделения тепла.

§4.8. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА НА РАЗМЕРЫ ГОЛОВКИ

Поперечные размеры головки зависят от числа форсунок и. от шага между ними; в свою очередь, шаг между форсунками за­ висит от допустимого расхода через форсунку, а в ряде случаев минимальный шаг определяется поперечными размерами фор­ сунки. С пелыо уменьшения габаритов двигателя необходимо стремиться к уменьшению диаметра головки, т. е. к уменьшению шага форсунок.

Уменьшение шага между форсунками при данном их числе может вызвать ухудшение условий теплоподвода, так как соотно­ шение между жидкими и газообразными частями среды, заполня­ ющими камеру у головки, изменяется в неблагоприятную сторо­ ну. В то же время условия смешения компонентов при уменьше­ нии шага улучшаются, так как уменьшается масштаб неравно­ мерности, пропорциональный шагу между форсунками. При больших расстояниях между форсунками ухудшение смесеобразо­ вания оказывает более сильное влияние, а в области малых рас­ стояний определяющим фактором является организация тепло­ подвода к жидкости.

С выбором шага необходимо увязывать величину расхода через единичную форсунку. С увеличением расхода через фор­ сунку (за счет увеличения проходного ,сечения сопла форсунки) шаг между форсунками должен увеличиваться, так как в про­ тивном случае нормальное течение процесса сгорания

быть ограничено.

Для самовоспламеняющихся топлив из-за уменьшения влия­ ния внешнего тепла шаг между форсунками и размеры головки могут быть уменьшены.

При увеличении давления в камере плотность газов у головки и их расход в зоне обратных токов возрастают. Это улучшает ус­ ловия подвода тепла для нагрева, испарения и воспламенения

106

капель и должно позволить несколько уменьшить размеры голов­

концентрация жидкости у головки и труднее организация подво­ да тепла к топливу.

При выборе величины расходонапряженности необходимоучитывать те же факторы, что и при выборе шага между фор­ сунками. Если GCM— расход смеси через смесительный элемент,.

G s сек

то число элементов /гсм -------. Если не учитывать влияние пе­

риферийных зон, площадь головки Fr пропорциональна ясы ^ф2,. где величина qr пропорциональна

Яг

Улучшение условий смесеобразования и испарения позволяет увеличить расходонапряженность головки. Поскольку увеличе­

В среднем на выполненных двигателях qr =. (0,8—1,5) -10_3 ]/сек. На некоторых двигателях встречаются большие значения. Так,, например, на двигателе «С-кример» (см. фиг. 10.7); qr^i 6 • 10~3 Чсек.

§ 4.9. ВЫБОР ОБЪЕМА КАМЕРЫ СГОРАНИЯ

I

Объем первой зоны камеры зависит от многих факторов, ос­ новными из которых являются процессы смешения и испарения.. В среднем для этой цели, -как отмечалось -выше, требуется длина камеры около 100 мм. Путем совершенствования систем смесеоб­ разования это расстояние может быть даже уменьшено. Повыше­ ние расходонапряженности, при прочих равных условиях, увели­ чивает длину первой зоны. Длина второй зоны, т. е. участка для

107

■выравнивания состава продуктов сгорания по сечению камеры, ввиду малой скорости идущих здесь процессов относительно ве­ лика. В среднем полная длина камеры может составлять 200— 500 мм.

Объем камеры сгорания определяет время пребывания в ней топлива и продуктов сгорания; это время должно быть достаточ­ ным для полного завершения всех процессов, протекающих в ка­ мере сгорания. Чем совершеннее организован процесс, тем мень­ ше необходимое время пребывания.

Точное определение потребного объема камеры сгорания для получения необходимой полноты сгорания может быть сделано только на основании эксперимента. Для приближенного выбора объема камеры можно воспользоваться данными статистики; та­ кими статистическими величинами являются: время т:п пребыва­ ния газов в камере и характеристическая (приведенная) длина L* камеры.

Среднре время пребывания газа может быть написано в виде

•Ъ сек

Если условно принять удельный вес газа в камере постоян­ ным и пренебречь объемом, занимаемым жидкой фазой, то

щ сек

Считая, далее,

и выразив секундный расход газа через площадь FKp критическо­ го сечения сопла и параметры газа в камере, получим

(4.13)

где

(4.13')

Если известно время тп по данным прототипа, то объем ка­ меры сгорания может быть определен.

Действительное время пребывания больше величины, опреде­ ляемой по формуле (4.13), так как плотность газов в конце каме­ ры Тк, использованная в расчете, меньше средней в камере.

' (08

Отношение

и есть характеристическая длина камеры. Чем больше L*, тембольше время пребывания газа в камере и тем выше до опреде­ ленного предела полнота выделения тепла'и удельная тяга.

Необходимое время пребывания (и приведенная длина) раз­ лично для различных топлив и зависит от условий смесеобразо­ вания и испарения в первой зоне камеры сгорания. Оно меньше для самовоспламеняющихся топлив; с уменьшением масштаба смешения (т. е. увеличением числа форсунок) необходимое вре­ мя тп и L* уменьшается.

Убольшинства выполненных иностранных азотнокислотных

икислородных двигателей тп = 0,0020 н- 0,0045 сек, а значение L*=;l,5-f- 3,5 м. Если при проектировании двигателя для опре­ деления размеров камеры сгорания пользуются данными стати­ стики, то при выборе величины L* (так же, как и расходонапря-

женности головки) следует ориентироваться на двигатели с тем же топливом и с такой же организацией процесса. При этом ну­ жно учитывать тип форсунок, шаг между ними, расход одной форсунки, форму головки.

Следует иметь в виду, что в ряде случаев на выбор объема камеры сгорания оказывают влияние условия устойчивой работы двигателя (см. гл. VI). Поэтому иногда объем камеры сгорания может быть больше или даже несколько меньше необходимого для обеспечения полноты сгорания.

Отметим также, что, как видно из статистики, уменьшение объема камер сгорания (при прочих равных условиях) произво­ дится обычно путем уменьшения их поперечных размеров. Поэто­ му примерно можно считать, что меньшие значения L* относятся

к большим значениям qTи наоборот.

§ 4.10. ФОРМА КАМЕРЫ СГОРАНИЯ

Возможно применение камер сгорания двух основных форм: сферической или близкой к ней и цилиндрической (фиг. 4.20) .

Сферические камеры имеют преимущество перед другими в отношении веса, так как при одинаковых допустимых напряже­ ниях в стенках и одинаковом объеме камеры толщина материала меньше. Это преимущество сферических камер несущественно для двигателей малых тяг, где вопросы прочности не являются глав­ ными, но оно может оказаться решающим для камер больших размеров с высокими давлениями в камере. Однако камеры сфе­ рической формы сложны в изготовлении.

Сферическую форму целесообразно придавать камерам сго­ рания двигателей больших тяг, когда вес камеры велик и умень­ шение его является важной задачей.

109

Цилиндрические камеры находят наиболее широкое примене­ ние на двигателях различного назначения. Они просты в изготов­ лении. В сочетании с плоской головкой здесь обеспечивается па­ раллельное движение струек газа.-Поперечные размеры такой ка­ меры определяются условиями смесеобразования. Между отно­ сительной площадью головки и относительной расходонапряженностью имеется вполне определенная зависимость.

Свяжем величину д,. с относительной площадью головки

Увыполненных двигателей (исключая водородные)

Л= (б ^ 7 )-1 0 -34г-

Яг

Итак, величина / к зависит от Яг- Последняя определяет усло­ вия смесеобразования в двигателе. При qr = (0,8-ь1,5) 10_3 ’/се/с

относительная площадь равна / к =>4,0-^-8,0.

На фиг. 4.21 схематично показано, как изменяется конфигу­ рация камеры сгорания и сопла с увеличением тяги при постоян­ ном давлении/?,, * и неизменном способе организации процесса. Расходонапряженность головки и степень расширения сопла при­ няты постоянными. По мере увеличения тяги длина двигателя увеличивается в основном за счет увеличения размеров сопла. Длина цилиндрического участка камеры сгорания меняется мало..

Уменьшение поперечных размеров камеры сгорания связано с уменьшением ее относительной площади f к. В предельно форси­

рованном варианте (/к— О диаметр камеры сгорания равен диа­ метру критического сечения сопла (фиг. 4.22).

110