книги из ГПНТБ / Шевелюк, М. И. Теоретические основы проектирования жидкостных ракетных двигателей учебное пособие для высших учебных заведений

2)давление и температура продуктов сгорания топлива;

3)форма, длина камеры сгорания и другие факторы.

Если объем камеры сгорания будет меньше необходимого, часть топлива не успеет в ней сгореть и унесется с газами через сопло в окружающую среду; если же этот объем окажется чрезмерно большим, то камера сгорания будет излишне больших размеров и веса, что отрицательно скажется на летных характеристиках боево­ го аппарата. Кроме того, в камере сгорания слишком большого объема будут значительные потери на.трение и теплоотвод от газов к оболочке камеры, а также возможна пульсация давления газов, которая способна вызвать вибрацию всего двигателя.

Полнота сгорания топлива и потребный объем камеры сгорания в большой мере зависят от качества подготовки горючей смеси к сгоранию. Чем совершеннее будет распыл компонентов топлива и равномернее распределение их по поперечному сечению камеры сгорания, тем более полным будет сгорание топлива.

При проектировании камеры сгорания двигателя очень важно

выбрать такой объем ее, при котором можно достигнуть наиболь­

шей полноты сгорания топлива, а следовательно, и удельной тяги при наименьшем удельном весе камеры.

Всвязи с недостаточной изученностью рабочих процессов в ка­ мере сгорания двигателя в настоящее время невозможно теорети­ чески точно определить оптимальный объем и необходимые размеры

проектируемой камеры сгорания. Эти параметры приходится уста­

навливать только приближенно, пользуясь пока весьма ограничен­ ными данными статистики.

Внастоящее время потребный объем камеры сгорания двигате­ ля можно определить приближенно одним из следующих методов:

1)по приведенной длине камеры сгорания — отношению объема

камеры сгорания Ккк критическому сечению сопла F^;.

2)по времени пребывания топлива в камере сгорания Тпр, т. е.

4)по теплонапряженности объема камеры сгорания QVk, т. е

<4

4)объем камеры сгорания необходимо выбирать оптимальным как по величине удельной тяги, так и по ее удельному весу;

5)оптимальный объем камеры сгорания можно уменьшить за счет увеличения в ней давления газов, применения более совершен­

ного распыливающего устройства, установки в камере специаль­ ных турбулизаторов и проведения других мероприятий, ускоряющих процессы подготовки и сгорания топлива;

6) чем меньше объем камеры сгорания, тем легче ее охладить одним из компонентов топлива при небольшом перепаде давления

в охлаждающем тракте и меньше ее удельный вес (камеры сгора­

ния эллиптической и шарообразной формы имеют относительно меньшие охлаждаемые поверхности).

Перечисленные факторы, обусловливающие величину опти­ мального объема камеры сгорания, противоречивы. Например, ка­ мера сгорания большого объема, обеспечивающая полное сгорание топлива, не может одновременно иметь малый удельный вес или небольшие потери давления жидкости в охлаждающем тракте. Поэтому при определении потребного объема камеры сгорания

нужно принимать компромиссное решение, удовлетворяющее боль­ шинству предъявляемых требований в зависимости от назначения и условий работы двигателя.

Пример 2. Определить объем и приведенную длину камеры сгорания

3.Длина сужающейся части сопла, включаемая в объем камеры сгорания, согласно чертежу сопла равна /сж=120 мм.

4.Объем камеры сгорания

-/

^К = Kl + = ~ГК 1/К.Ц + "З- (ГК.и. + гк-Цг + г2) ~

о

= 3,14-1,152.3,20 + 3,14-1,20 (1,152 + 1,15-1,20 + 1,202) = 18,62 л.

О

§ 4. Достоинства и недостатки камер сгорания различных

конструктивных форм и их головок

Конструкция камер ЖРД обусловливается их общей компонов­ кой и конструктивными особенностями головки, камеры сгорания, сопла, охлаждающего тракта, силовой связи оболочек и т. п. Клас­ сификация камер сгорания существующих ЖРД приведена в гл. 2.

Камеры ЖРД могут иметь несвязанную и связанную по своим

поверхностям силовую схему оболочек.

Для облегчения охлаждения внутреннюю оболочку камеры це­ лесообразно выполнять возможно тонкой, чтобы уменьшить разни-

вая связь между оболочками камеры осуществляется при помощи контактной сварки или высокотемпературной пайки. Контакт в ме­

стах сварки (пайки) осуществляют либо посредством специальных

прокладок, либо путем выштамповок в наружной оболочке — ру­

башке камеры.

Расположение связей оболочек камеры может быть продоль­

ным, винтовым и точечным (фиг. 7.2).

При конструировании камер ЖРД со связанными оболочками

первостепенное значение приобретает выбор типа и схемы распо­ ложения связывающих элементов. Точечные связи могут быть рас­ положены по прямоугольной или по шахматной схеме.

Расположение силовых связей определяет схемы нагружения оболочек камеры двигателя.

При скрепленной силовой схеме оболочек силовые нагрузки воспринимаются обеими оболочками, и поэтому внутреннюю оболоч­ ку можно выполнить относительно меньшей толщины (малого веса), что значительно облегчает условия ее охлаждения и упрощает тех­ нологию производства таких камер. Однако при этой схеме оболо­ чек трудно практически обеспечить прочность скрепления их между собой, и значительно возрастает перепад давлений охлаждающей

жидкости в тракте при наличии точечных связей в виде выштампо­ вок, особенно при высоких давлениях в камере сгорания.

При подаче жидкости под давлением в межрубашечное про­ странство камеры в местах контакта оболочек возникают силы, реакции. Напряженное состояние внутренней оболочки камеры будет определяться значением давления жидкости в тракте и вели­ чинами сил реакции. Последние являются в первую очередь функ­

Наибольшее применение получили камеры сгорания цилиндри­ ческой и шарообразной или близкой к ней форм. Основным досто­ инством цилиндрической камеры сгорания по сравнению с камера­ ми сгорания других форм является простота ее конструкции и из­ готовления и, следовательно, малая стоимость. Кроме того, она имеет меньший габаритный диаметр.

К основным недостаткам цилиндрической камеры сгорания от­ носятся:

1)при одинаковом объеме она имеет большую поверхность обо­ лочки, что усложняет ее охлаждение;

2)при прочих равных условиях она имеет худшую прочностную

характеристику, что увеличивает ее удельный вес и стоимость;

3)газовый поток в этой камере сгорания больше обжимается поверхностью оболочки, чем в шарообразной камере сгорания, что несколько гасит его турбулентность и утоняет ламинарный слой газа около поверхности оболочки, снижая полноту сгорания топлива и, следовательно, удельную тягу и увеличивая теплоотдачу от газов

воболочке;

4)меньшая устойчивость работы в отношении высокочастотных

колебаний, что ограничивает ее расходонапряженность, а также сужает пределы регулирования тяги изменением расхода топлива.

Цилиндрические камеры сгорания выполняются со съемными или приварными головками. Эти камеры обычно стоят на двигате­ лях малых и средних тяг однократного и многократного примене­

ния, где в первую очередь требуются простота и дешевизна кон­ струкции. В последнее время наиболее часто применяются камеры сгорания цилиндрической формы с плоской головкой и однокомпо­ нентными центробежными форсунками. Примером ЖРД с цилин­

дрическими камерами сгорания могут служить немецкие керосино­ азотнокислотные двигатели.

Шарообразные и близкие к ним грушевидные камеры сгорания по сравнению с камерами сгорания других форм имеют следующие основные достоинства:

1)при заданном объеме они имеют относительно меньшую по­ верхность оболочки, что уменьшает удельный вес камеры сгорания

иоблегчает ее охлаждение;

2)при заданном давлении в камере сгорания они имеют мень­ шую толщину оболочки, что уменьшает удельный вес камеры сго­ рания;

3)оболочка этих камер сгорания обладает большей устойчи­

востью против вдавливания внутрь под воздействием на нее стати­ ческого давления охлаждающей жидкости;

4)процесс сгорания топлива в них протекает более полно бла­ годаря сравнительно хорошей турбулизации газового потока, что

повышает удельную тягу двигателя на 2—3%;

отдача от газов к оболочке камеры вследствие наличия около ее поверхности более толстого ламинарного слоя, ухудшающего теп­ лоотдачу к оболочке от газов и облегчающего этим охлаждение камеры сгорания (газовый поток сравнительно меньше обжимается поверхностью оболочки).

К основным недостаткам шарообразных камер сгорания отно­ сятся:

1)сложность конструкции и технологии изготовления, что уве­

личивает ее стоимость;

2)сравнительно больший диаметр камеры сгорания, что мо­ жет потребовать увеличения миделя снаряда.

Шарообразные камеры сгорания обычно имеют приварную ша­

рообразную головку. Эту форму камеры сгорания имеют двигатели большой тяги со значительной продолжительностью работы, когда объем камеры сгорания настолько велик, что становится целесооб­ разным предкамерный распыл компонентов, а также когда выгоды от уменьшения ее веса и повышения экономичности работы за счет формы преобладают над увеличением стоимости ее изготовления.

Примером ЖРД с шарообразными камерами сгорания может

служить немецкий спирто-кислородный двигатель А-4.

Камера сгорания конической формы применения не получила вследствие присущих ей больших недостатков и отсутствия какихлибо достоинств перед другими формами.

Экспериментами установлено, что переход от шарообразной или эллиптической к цилиндрической форме камеры сгорания отрица­ тельно сказывается на смешении и сгорании компонентов топлива вследствие уменьшения при этом начальной турбулизации газового

потока и, следовательно, понижения удельной тяги двигателя на

2-3%.

Головки камер сгорания ЖРД бывают преимущественно пло­ ские и сферические. Плоские головки камеры имеют различное кон­ структивное оформление. Иногда их выполняют трехстенной кон­

струкции с отдельными плоскостями для горючего и окислителя.

При этом компонент топлива, используемый для охлаждения ка­ меры, поступает в нижнюю полость головки, образуемую плоски­ ми днищами, откуда через форсунки впрыскивается в камеру сго­ рания. Второй компонент топлива подается прямо в верхнюю по­ лость головки, образуемую шарообразным верхним и плоским средним днищами, а из нее затем поступает в камеру сгорания че­ рез сквозйые трубки, пересекающие плоские днища головки и за­

канчивающиеся форсунками. Все три днища головки камеры свя­ заны между собой. Верхнее днище связывается со средним пло­ ским днищем косынками различной формы, а для связи плоских Днищ можно использовать точечные выштамповки или разваль­

5. Выбор формы камеры сгорания ЖРД

цовку корпуса форсунок. Так как число форсунок обычно бывает весьма большим (измеряется сотнями), то последний способ свя­ зи между собой оболочек практически оказывается также доста­

точно надежным.

Конструктивное оформление головки в основном зависит от вы­ бранной формы камеры сгорания, ее диаметра, вида компонен­

тов топлива, а также от того, какой компонент топлива исполь­ зуется для охлаждения камеры. Плоские головки применяются в камерах двигателей малых и средних тяг. Они наиболее удобны для цилиндрических камер сгорания благодаря конструктивной простоте и удобству расположения на них струйных и центробеж­ ных форсунок горючего и окислителя. Плоские головки в сочета­ нии с цилиндрической камерой сгорания обеспечивают хорошую однородность поля скоростей и концентрацию компонентов топли­ ва по поперечному сечению камеры. К недостаткам плоских голо­ вок относится сравнительно малая их прочность и жесткость при

значительных поперечных сечениях камеры сгорания. Поэтому го­ ловки камер сгорания больших диаметров должны иметь спе­ циальные силовые элементы.

Сферические головки часто выполняются с предкамерами и применяются в основном в камерах спирто-кислородных двига­ телей средних и больших тяг. Эта головка удачна и с точки зре­

ния борьбы с явлениями, связанными с поперечными акустиче­ скими колебаниями, характерными для двигателей с камерой

Постановка предкамер на головке камеры облегчает экспери­ ментальную отработку распыливающего устройства, так как в этом случае возможна предварительная доводка только одной предка-

меры, что значительно проще и дешевле доводки всей распылитель­ ной плоской головки.

§ 5. Выбор формы камеры сгорания ЖРД

Форма камеры сгорания оказывает существенное влияние на величину удельной тяги и устойчивость работы двигателя. Поэтому

при проектировании ЖРД форму камеры сгорания необходимо вы­ бирать с учетом предъявляемых общих требований к камерам, до­ стоинств и недостатков камер сгорания различных форм и следую­ щих факторов:

1)рода компонентов топлива;

2)предполагаемой системы распыла этих компонентов;

3)величины абсолютной тяги и продолжительности работы: двигателя;

4)величины давления в камере сгорания;

5)технологии изготовления камеры и др.

298 Гл. 7. Проектирование и расчет камер Ж.РД

Принципиально камера сгорания двигателя должна быть такой ■формы, при которой она будет иметь высокую экономичность и ма­

лые значения удельного веса и стоимости.

Камеры сгорания «холодного» типа в период второй мировой

войны выполнялись цилиндрической формы для небольшой тяги, со струйным распылом перекиси водорода. Если для разложения перекиси водорода применяют жидкий катализатор, то внутри такой камеры сгорания устраивают специальный завихритель-

смеситель, а в случае твердого катализатора последний помещают

процесс сгорания этих компонентов меньше зависит от температу­ ры, давления и формы камеры сгорания, чем в случае применения -самовоспламеняющихся компонентов топлива. Поэтому для первой группы топлив может оказаться наиболее выгодной конструктивно простая и дешевая цилиндрическая камера сгорания. Кроме того, для целесообразного сжигания самовоспламеняющихся и несамо­ воспламеняющихся, а также низкокипящих и высококипящих ком­ понентов топлива могут оказаться рациональными разные способы

распыла их, которые в свою очередь могут различно влиять на вы­ бор оптимальной формы камеры сгорания двигателя.

Скорость процесса сгорания несамовоспламеняющихся двух­ компонентных топлив в камере двигателя в области турбулентной диффузии в основном определяется факторами гидродинамического

характера. В этой области сгорания перестают играть определяю­ щую роль свойства топлива и окислителя, а также температурный фактор (если не считать слабой зависимости от температуры со­

ответствующих физических констант). Поэтому,- естественно, фор­ ма камеры сгорания двигателя будет оказывать существенное влия­ ние на процесс сгорания топлива в диффузионной области, т. е. на турбулентное перемешивание в камере компонентов между собой, а следовательно, на их скорость и полноту сгорания.

Если абсолютная тяга и продолжительность работы двигателя небольшие, то следует отдать предпочтение конструктивно простой и относительно дешевой цилиндрической камере сгорания со струй­ ным или центробежным распылом компонентов топлива, так как

в этом случае экономичность работы камеры сгорания может иметь

второстепенное значение. В противном случае экономичность ра­ боты двигателя приобретает важное значение, в силу чего потре­ буется более совершенная в гидродинамическом отношении шаро­

образная или эллиптическая форма камеры сгорания с предкамер­ ным или с обычным центробежным распылом компонентов топли­

ва; поэтому некоторое усложнение конструкции камеры и в связи с этим относительное удорожание ее могут иметь второстепенное значение.

Увеличение диаметра камеры сгорания с ростом тяги двигателя или повышение давления газов в камере сгорания заданной тяги всегда связано с увеличением толщины внутренней оболочки каме­ ры и, следовательно, с необходимостью уменьшения температуры

газов в камере сгорания для избежания перегрева оболочки каме­ ры, а значит, с понижением Рул и повышением секундного расхода топлива в двигателе. Объясняется это тем, что более толстую по условиям прочности оболочку камеры труднее охладить. Исходя из этих соображений, можно считать, что в таких случаях' наиболее приемлемой будет камера сго­ рания шарообразной или эл­ липтической формы, так как камеры этих конфигураций при прочих равных условиях имеют внутреннюю оболочку меньшей толщины, чем цилиндриче­ ские.

На фиг. 7- 3 показаны очер­

филь 5, так как большой диаметр камеры исключает прак­ тическую возможность применения для нее плоской распыли­ тельной головки.

Стремление сохранить хороший подвод тепла к головке камеры сгорания, т. е. иметь нормальную расходонапряженность головки, требует в таком двигателе увеличения диаметра камеры сгорания примерно до 950 мм. В результате длина такой камеры, вероятно,

будет около 600—700 мм. При современном смесеобразовании та­ кая длина камеры может считаться излишней, однако уменьшить ее трудно без ухудшения очертания сужающейся части сопла или уменьшения диаметра камеры.

Для ЖРД относительно большей тяги, работающих на высоко­ эффективных компонентах топлива при давлении в камере сгорания порядка 60 ата, форма камеры будет ближе к профилю 6. В этом случае из-за большого диаметра и давления головка камеры сгорания должна будет принять форму полусферы и заметно пе­ реходить в камеру сгорания, которая в свою очередь должна по­

степенно переходить в сопло.

В таком двигателе под головкой камеры сгорания нужно пони­ мать ту часть камеры, на которой размещены топливные форсунки.

При этом диаметр камеры и длина ее будут по-прежнему опреде­ ляться прежде всего стремлением иметь не слишком напряженную по секундному расходу топлива головку. Очевидно, длина камеры