книги из ГПНТБ / Феодосьев В.И. Введение в ракетную технику Учеб. пособие

По мере дальнейшего продвижения топлива по камере все более интенсивным становится испарение компонентов и начинается их смешение. В этой же зоне уже начинаются и химические реакции, но скорость их мала из-за низкой температуры. Следовательно, вторая зона может быть условно названа зоной испарения и сме­ шения.

Наконец, по мере накопления паров топлива и повышения их температуры в следующей, третьей, зоне начинают интенсивно про­ текать химические реакции. В первой части этой зоны температура газа еще относительно низка, соответственно мала и скорость хими­ ческих реакций. Поэтому все испаренное и смешанное топливо сго­ рает здесь не сразу, а постепенно в соответствии со скоростью или, как говорят, кинетикой химических реакций. Эта область камеры сгорания называется областью кинетического горения.

Рост температуры приводит к очень резкому возрастанию скоро­ сти химических реакций, причем начиная с некоторого значения тем­ пературы все топливо, которое оказывается смешанным, практиче­ ски сгорает мгновенно. Теперь скорость горения будет почти целиком зависеть от скорости смешения компонентов. Так как скорость сме­ шения определяется скоростью диффузии *, то эта область называет­ ся областью диффузионного горения. Процесс горения в Ж РД про­ текает преимущественно в диффузионной области, так что время, необходимое для сгорания, определяется скоростью смешения. Та­ ким образом, третья зона камеры горения — это зона смешения и хи­ мических реакций.

Время пребы вания топлива в камере сгорания

Размеры камеры сгорания должны быть такими, чтобы смешение и химические реакции успели закончиться до входа в сопло камеры. Это обеспечит наиболее полное превращение химической энергии в тепло и уменьшит физическое недогорание топлива.

Необходимые размеры камеры определяются по условной вели­ чине времени пребывания в камере т.

Если расход топлива, температура продуктов горения в камере сгорания перед входом в сопло и давление в том же сечении рав­ няются соответственно G, Ts и рк, то общий объем газов, проходя­ щих через камеру в одну секунду

V .

сек Рк

* Подразумевается так называемая турбулентная диффузия. В отличие от молекулярной диффузии в этом случае происходит беспорядочное перемещение не отдельных молекул, а небольших объемов газа.

202 Г л. V. Процессы в камере сгорания ракетного двигателя

Этот объем газа будет находиться в камере в течение периода времени

где VK— объем камеры сгорания.

Величина т и называется временем пребывания.

Величина т только косвенно отражает действительное время пре­ бывания топлива и продуктов его горения в камере. Дело в том, что объем порции топлива по мере его горения в камере возрастает от ничтожно малой величины объема жидкого топлива до значения V, а время пребывания вычисляется именно по этому наибольшему объ­ ему. Средний объем топлива в камере сгорания будет меньше V. Таким образом, действительное время пребывания топлива в камере больше, чем величина т, но находится с ней в определенном соот­ ветствии.

Время пребывания т, необходимое для достаточно полного сго­ рания топлива, определяется экспериментально и на основе изуче­ ния отработанных конструкций двигателей. В существующих дви­ гателях оно составляет 0,003—0,008 сек. При увеличении давления время пребывания в камере увеличивается, следовательно, камера с тем же расходом топлива при большем давлении может быть выполнена меньших размеров.

Время пребывания в камере при данной конструкции головки является основным фактором, определяющим физическую полноту сгорания топлива, т. е. ту долю топлива, которая успевает в камере вступить в химическую реакцию.

Конструкция камер сгорания и головок камер

Как видно из выражения (5.1), время пребывания т не зависит от формы камеры сгорания, так что при данном объеме камера мо­ жет иметь любую форму. Однако в выборе формы камеры сгора­ ния не может быть полного произвола.

Прежде всего форма камеры сгорания должна соответствовать форме и конструкции головки. При этом надо стремиться делать головку и камеру такими, чтобы расходонапряженность в камере сгорания везде была примерно одинакова и не было зон, куда бы топлива поступало мало.

Соотношение длины и диаметра камеры также оказывается на протекании процесса смесеобразования и горения. При длинной ка­ мере и малом поперечном сечении ее на головке трудно расположить необходимое число форсунок. При короткой камере зона смесеобра­ зования занимает значительную часть объема камеры, а длина зоны смешения и горения становится очень малой. Обычное отношение площади поперечного сечения камеры к площади наименьшего так называемого критического сечення сопла находится в пределах

3— 10.

Однако существуют камеры и с очень малым поперечным се­ чением, равным критическому сечению сопла (камера такой формы носит название полутеплового сопла). Достоинством полутеплового сопла является уменьшение диаметра и веса камеры сгорания. Из­ вестны попытки использования в Ж РД камер такого типа.

В современных двигателях чаще всего применяются камеры сго­ рания двух геометрических форм: цилиндрической и сферической (или близких к сферической).

Преимуществом сферической камеры является то, что эта камера при одинаковом объеме имеет наименьшую поверхность по сравне-

3

Фиг. 5.8. Цилиндрическая камера Ж РД — ускорителя маневра.

подвод окислителя для охлаждения, 5—отвод окислителя из рубашки охлаждения, 7— разъемная вставка, образующая узкий канал, через который проходит окислитель, охлаждающий сопло камеры.

нию с камерой любой другой формы. Малая поверхность камеры определяет малый ее вес и малое количество тепла, которое пере­ дается в систему охлаждения.

Сферическая камера выгодна и по своим прочностным показате­ лям. При одинаковой прочности стенка сферической камеры в два раза тоньше стенки цилиндрической камеры. Поэтому в том случае, когда толщина стенок камеры определяется не технологическими или эксплуатационными соображениями, а прочностью (это имеет место в двигателях болыших размеров и с большим давлением в ка­ мере р«), сферической форме камеры следует отдать предпочтение.

Недостатком сферической камеры являются сложность ее изго­ товления и трудности, связанные с достижением хорошей совмест­ ной работы головки и камеры. В этом отношении большими преиму­ ществами обладает цилиндрическая камера.

В самом деле, рассматривая фиг. 5. 8, на которой представлена! камера Ж РД. используемая в качестве ускорителя, мы видим, что плоская головка, установленная на этом двигателе, позволяет рав­

204 Гл, V. Процессы в камере сгорания ракетного двигателя

номерно распределять топливо по поперечному сечению камеры, не оставляя нигде зон, в которые не поступало бы топливо и где не происходило бы сгорания — так называемых «темных» зон.

Такая же плоская головка, установленная «а камере сгорания грушевидной формы (фиг. 5 .9), уже не позволяет полностью исполь­ зовать объем камеры для сгорания. Часть камеры, находящаяся за пределами цилиндрического объема с диаметром, равным диаметру головки, для сжигания топлива практически не используется. В то же время, размер плоской головки получается таким, что на головке

не удается расположить большое число центробежных форсунок. В этом двигателе пришлось ограничиться применением менее совер­ шенных струйных форсунок.

Так ж е неполно используется объем камеры сгорания в двигателе ракеты V-2 (фиг. 5. 10), на сферической головке которой установле­ но 18 форкамер. Топливная смесь, приготовленная в форкамерах, вытекает мощным факелом внутрь камеры. Хотя эти факелы, стал­ киваясь друг с другом, интенсивно перемешиваются, значительная часть объема камеры, заключенная между факелами, вытекающими из форкамер, для процесса горения не используется.

Представление об устройстве плоской головки со струйными фор­ сунками дает фиг. 5. 11.

Отверстия форсунок горючего и окислителя просверлены наклон­ но к оси двигателя и под углом друг к другу, с тем чтобы обеспечить смесеобразование в жидкой фазе. Горючее подводится из верхней полости головки, а для подвода окислителя приходится сверлить длинные радиальные отверстия. Изготовление такой головки ока­ зывается очень сложным.

9

Фиг. 5. 10. Камера сгорания двигателя ракеты дальнего действия V-2.

1—форкамеры, 2—трубы подвода горючего для внутреннего охлаждения, 3, 4, 5 и 6 —пояса отверстий для ввода горючего на внутреннюю поверхность стенки камеры. 7—трубы под­ вода горючего в полость охлаждения, 8—кронштейны крепления двигателя к раме. 9— главный спиртовой клапан.

206 Гл. V. Процессы в камере сгорания ракетного двигателя

На плоской головке можно размещать также и центробежные форсунки. Следует полагать, что они могут дать более равномерное распределение смеси по поперечному сечению камеры. Кроме того, центробежные форсунки обеспечивают пересечение факелов распыла горючего и окислителя при нормальном расположении форсунок, когда оси их параллельны оси камеры; таким образом, установка

Фиг. 5. 11. Плоская головка камеры сгорания со струйными форсунками.

центробежных форсунок не требует сверления наклонных отверстий. Центробежные форсунки, однако, занимают больше места, поэтому головка должна иметь большие размеры. В цилиндрической камере это легко можно выполнить без увеличения объема камеры, увели­ чивая ее диаметр и уменьшая длину.

В сферической камере сгорания по условиям сборки очень труд­ но разместить форсунки непосредственно на ее днище. Кроме того, из-за малой поверхности днища на нем трудно расположить необ­ ходимое число мелких форсунок. Поэтому на двигателях с камерами сферической формы применяются форкамеры. Устройство форкамеры двигателя ракеты V-2 приведено на фиг. 5. 12. В каждой такой форкамере окислитель—жидкий кислород—распыляется одной форсуноч­

ной головкой с большим числом струйных форсунок. Горючее— спирт—подводится через форсунки, расположенные на боковой кони­ ческой поверхности форкамеры. Ясно, что такая схема смешения не позволяет обеспечить (по крайней мере простыми средствами) рав-

Фиг. 5.12. Форкамера двигателя, имеющего сферическую головку (ракета дальнего действия V-2).

1—подвод окислителя (жидкого кислорода), 2—корпус фор­ камеры, 3 —форсуночная головка окислителя со струйными форсунками, 4—кожух форкамеры, образующий полость для подвода горючего к форсункам, 5—верхний пояс центробежных форсунок, 6—пояса струйных форсунок, 7—пояса центробежных

форсунок.

номерное распределение компонентов по поперечному сечению фор­ камеры.

Для того чтобы улучшить смесеобразование, в описываемой форкамере применена сложная система согласованных форсунок. Кис­ лород впрыскивается через отверстия, размещенные на концентриче­ ских окружностях и наклоненных к оси форкамеры под разными углами, с тем чтобы струи окислителя возможно более равномернозаполняли объем форкамеры.

Соответственно поясам отверстий окислителя расположены пояса форсунок горючего. В верхнем поясе 5 находятся центробежные

208 Гл. V. Процессы в камере сгорания ракетного двигателя

форсунки. Малая дальнобойность факела этих форсунок позволяет защитить стенки форкамеры от прямого попадания на них кислоро­ да. Два следующих пояса 6 состоят из струйных форсунок, которые благодаря большой дальнобойности доносят горючее в центр объема форкамеры. В нижних поясах 7 снова установлены центробежные форсунки. Все перечисленные меры позволяют улучшить качество смесеобразования, но в целом оно получается худшим, чем в двига­ теле с плоской головкой. В результате этого увеличивается время пребывания т, необходимое для завершения горения топлива в ка­ мере, и, как следствие, возрастают относительный объем и вес камеры сгорания.

Воспламенение топлива в ЖРД

Выше было описано протекание установившегося процесса горе­ ния в двигателе. Начальное воспламенение жидкого топлива в ка­ мере сгорания — зажигание — в некоторых случаях предъявляет особые требования к двигателю.

Как мы уже знаем, топлива бывают самовоспламеняющиеся и несамовоспламеняющиеся. Условия воспламенения их в камере сгора­

ния различные. Несамовоспламеняющиеся топлива воспламеняются путем впрыскивания их в зажигающий факел, который заполняет камеру сгорания. Зажигающий факел создается специальным устройством и делается достаточно мощным, чтобы воспламенить

основные компоненты в тех количествах, в которых они подаются при запуске. Особых требований к конструкции головки зажигание несамовоспламеняющихся топлив не предъявляет.

Самовоспламеняющиеся топлива начинают реагировать и выде­ лять тепло при соприкосновении их еще в жидком виде. Поэтому для их надежного воспламенения целесообразно обеспечивать хоро­ ший контакт компонентов в жидкой фазе.

Самовоспламеняющиеся топлива имеют некоторый период за­ держки самовоспламенения. При запуске двигателя за этот период в камере происходит накопление жидкого несгоревшего топлива. По­ следующее сгорание накопленного топлива приводит к резкому повы­ шению («забросу») давления, которое может быть опасным для дви­ гателя.

Чтобы уменьшить накопление топлива в камере, на начальной стадии запуска следует искусственно уменьшать расход топлива в соответствии с временем задержки самовоспламенения.

Именно по этой причине в системе подачи двигателей на само­ воспламеняющихся компонентах или в двигателях с химическим за­ жиганием применяются устройства, обеспечивающие постепенное нарастание подачи топлива в период запуска. Эти устройства выпол­ няются или в виде дроссельных заслонок, относительно медленно открывающихся при запуске (см. описание двигателя зенитной ра­

210 Гл. V. Процессы в камере сгорания ракетного двигателя

Весьма схематично возникновение вибрационного горения в каме­ ре Ж РД можно представить следующим образом.

Предположим, что давление в системе подачи, например в баках двигателя при вытеснительной подаче, остается постоянным. Предпо­ ложим далее, что по какой-либо случайной причине давление в каме­ ре сгорания упало по сравнению с номинальным. Тогда расход топли­ ва через форсунки увеличится, так как перепад давления на форсун­ ках возрастет. Увеличенный расход топлива через форсунки будет иметь место до тех пор, пока через время порядка х первая порция топлива с увеличенным расходом не превратится в газ и не начнет вытекать из двигателя. С этого момента давление в камере Ж РД возрастает пропорционально увеличивающемуся секундному рас­ ходу продуктов сгорания топлива и будет больше номинального. В связи с этим перепад давления на форсунках и расход топлива через них уменьшится. По истечении времени порядка х расход газо­ образных продуктов также уменьшится, в связи с чем давление в камере упадет, а следовательно, восстановятся условия для повто­ рения предыдущего цикла колебаний.

Изменение расхода, вызванное колебаниями давления в камере, зависит от номинального перепада давления на форсунках. Чем больше этот перепад, тем меньше будет относительное изменение перепада давления на форсунках, тем меньше будет изменение рас­ хода. Таким образом, повышение перепада давления на форсунках противодействует возникновению колебаний давления и вибраци­ онному горению.

Точно так же колебательный режим в камере зависит от объема камеры сгорания. Чем больше объем камеры, тем большая часть излишнего расхода топлива идет на изменение запаса газа в каме­ ре. Тем самым в камере большого размера колебания давления смягчаются.

Колебания давления в камере могут вызвать также колебания столба топлива в подводящих трубопроводах, что при определенных соотношениях частот может привести к увеличению амплитуды дав­ ления при вибрационном горении. Если при вибрационном горении происходят настолько сильные колебания давления, что поступление топлива в камеру в какой-то момент вообще прекратится, то при по­ следующем возобновлении подачи топлива вполне возможен взрыв двигателя.

Кроме повышения перепада давления на форсунках и увеличения объема камеры сгорания, мерами, препятствующими возникновению вибрационного горения, являются увеличение скорости горения, что приводит к уменьшению времени превращения топлива в газообраз­ ные продукты, а также подбор таких геометрических размеров каме­ ры и системы подачи, которые не допускают развития в них колеба­ ний.