Жидкостные ракетные двигатели (стр. 16 из 36)

Местные отклонения коэффициента состава топлива в камере сгорания от расчетного всегда приводят к неполноте сгорания и, следовательно, к понижению удельной тяги двигателя.

Доказано, что начальная неравномерность состава компонентов топлива в пределах шага между форсунками быстро выравнивается без заметного снижения удельной тяги двигателя, а неравномерность состава топлива при ее масштабе больше шага форсунок обычно не успевает выравниваться и значительно снижает удельный импульс.

Для защиты оболочки камеры двигателя от перегрева иногда горючую смесь вблизи поверхности оболочки преднамеренно обогащают специальной подачей через периферийные форсунки около 2—4% горючего от общего расхода его в камеру сгорания. При этом головка двигателя обеспечивает постоянство коэффициента избытка окислителя в центральной части камеры сгорания и заниженное значение его у поверхности оболочки камеры.

3. Расходонапряженность топлива по поперечному сечению камеры сгорания должна быть одинаковой, так как там, где расход топлива будет больше расчетного, процесс сгорания будет неполным, а в местах, где этот расход окажется меньше указанного, объем камеры сгорания будет использован неполностью.

Равномерность расхода топлива по поперечному сечению камеры сгорания является количественным критерием распыла компонентов топлива. Этот критерий влияет на выбор формы камеры двигателя.

4. Зона смесеобразования топлива по длине камеры сгорания должна быть возможно короткой, так как в противном случае потребуется относительно больший объем камеры сгорания, что может увеличить ее габариты и удельный вес.

Зона распыла компонентов лежит вблизи головки камеры, определяется типом и конструкцией форсунок и характеризуется расстоянием от головки камеры до места проникновения капель. Эта зона при обычных струйных форсунках имеет большую длину, чем при центробежных форсунках.

Форма факела обусловливается в основном конструкцией распылительной головки камеры и дальнобойностью струи распыливаемых компонента топлива.

5. Суммарный факел распыла компонентов топлива относительно оси камеры сгорания должен быть симметричным, так как если факел горящего топлива будет бить о поверхность оболочки камеры и сгорать на ней, то возможны ее перегрев и прогар.

Струя окислителя не должна бить по поверхности оболочки камеры, так как это вызовет быстрый ее прогар вследствие окисления металла.

Форсунки нужно расположить на головке так, чтобы результирующее направление потока топлива после столкновения всех струй было параллельно оси камеры. Это требование особенно относится к струйным форсункам с пересекающимися струями.

Задачей конструктора является распределить форсунки на головке камеры так, чтобы при равномерном распределении компонентов топлива по поперечному сечению камеры сгорания не попадало много окислителя на стенки.

Уменьшения попадания компонентов топлива при распыле его форсунками на поверхность оболочки камеры можно добиться соответствующим направлением форсунок, изготовлением их со срезом под углом и т. п.

б. Перепад давлений компонентов топлива в форсунках должен быть оптимальным как по физической полноте сгорания топлива, так и по удельному весу системы топливоподачи двигателя.

При понижении перепада давлений распыливаемой жидкости в форсунках уменьшаются давление подачи топлива в камеру сгорания и, следовательно, мощность и вес системы топливоподачи, но при этом ухудшаются процессы смесеобразования и сгорания топлива. При повышении же перепада давлений в форсунках происходит обратное.

Удовлетворение этого требования практически сопряжено с большими трудностями, и поэтому при расчете ЖРД перепадом давлений компонентов

топлива в форсунках обычно задаются на основании статистических данных. 7. Распыливающее устройство двигателя должно быть конструктивно простым и дешевым в производстве, мало чувствительным к изменению режима работы двигателя и к возможным вибрациям.

К распыливающему устройству двигателя с регулируемой тягой предъявляются дополнительные требования.

Опыты показывают, что перепад давлений в форсунках меньше 2 кг/см², как и малое число форсунок, приводит к неудовлетворительному распылу компонентов топлива и, следовательно, к неустойчивой работе двигателя.

Если при работе двигателя на минимальном режиме перепад давлений компонентов топлива в форсунках принять равным 2— 3 кг/см², то при этом перепад давлений в форсунках на режиме номинальной тяги окажется резко завышенным (может быть в 5—10 раз больше, чем на режиме минимальной тяги), что весьма невыгодно из-за относительно большого веса системы топли-воподачи. Поэтому регулирование тяги двигателя изменением перепада давлений компонентов топлива в форсунках может быть оправдано только в небольшом диапазоне.

Выполнить все перечисленные выше требования к распыливающему устройству ЖРД можно путем правильного проектирования и конструирования головки камеры двигателя, т. е. целесообразным выбором ее формы, типа форсунок, их параметров, числа и схемы расположения на головке и т. д.

Правильная организация распыла компонентов топлива в ЖРД позволяет уменьшить объем камеры сгорания, ее габариты и удельный вес, повысить надежность, ресурс, экономичность и устойчивость работы двигателя. Качественное смесеобразование также облегчает условия зажигания топлива при запуске двигателя и снижает число аварий.

6.12.Типы топливных форсунок

Топливные форсунки ЖРД представляют собой весьма важные органы смесеобразования горючего и окислителя, подаваемых в камеру сгорания. От типа и конструкции форсунок в значительной мере зависит качество процесса смесеобразования.

Применяемые в двигателях форсунки в большинстве случаев не имеют специальной регулировки тонкости распыла, а некоторые из них вообще обладают невысокими качественными характеристиками.

Топливные форсунки ЖРД можно разделить по следующим характерным признакам.

1.По числу распыливаемых компонентов топлива одной форсункой:

а)однокомпонентные форсунки, предназначенные для распыла одного
компонента топлива;

б)двухкомпонентные форсунки, предназначенные для одновременного
распыла двух компонентов топлива.

2.По принципу действия форсунки:

а) струйные форсунки, подающие жидкость в камеру сгорания в виде струек в направлении своей оси;

б)центробежные форсунки, в которых движущаяся под напором дав
ления жидкость закручивается и за счет развиваемого при этом центробежного
эффекта вытекает с определенной скоростью в камеру сгорания в виде тонкой
и легко разрушающейся конической пленки;

в)центробежно-струйные форсунки (смешанного типа).

Рис.45

Струйные форсунки:

а - одноструйные; б - двух струйные; в - трех струйные; г пяти струйные, д - щелевые с параллельным течением струй; е - щелевые с перекрёстным течением струй; ж - с отражающей

пластиной

Двухкомпонентные струйные форсунки, все типы центробежных форсунок и центробежно-струйные конструктивно выполняются в виде отдельных узлов, устанавливаемых в отверстиях головки камеры двигателя.

В ЖРД без дожигания генераторного газа используются струйные, центробежные и струйно-центробежные форсунки. В двигателях с дожиганием генераторного газа применяются газовые и газожидкостные форсунки.

Струйные форсунки конструктивно делятся на:

1) одноструйные, представляющие калиброванные отверстия в головке камеры диаметром на выходе жидкости в камеру сгорания 0,8—2,5 мм, рис.45 а:

2)двухструнные, предназначенные для распыла одного компонента топлива в виде двух соударяющихся между собой струй, рис.45 б;

3)трехструйные, предназначенные для распыла двух компонентов топлива в виде одной центральной струи горючего и двух боковых струй окислителя, расположенных в одной плоскости и пересекающихся в одной точке, рис.45 в;

4)четырех- и пятиструйные, предназначенные для распыла двух компонентов топлива в виде одной центральной струи горючего или соответственно четырех струй окислителя, расположенных в двух плоскостях и пересекающихся в одной точке, рис.45 г;

5) щелевые, предназначенные для одновременного распыла двух компонентов и конструктивно представляющие концентрические щели в головке камеры двигателя. Различают щелевые форсунки:

- с параллельным течением струи, рис.45 д;

- с перекрестным течением струек, рис.45 е;

- с отражающей пластиной, рис.45 ж.

Рис.46

Схемы центробежных форсунок

а - тангенциальная закрытая; б - тангенциальная открытая; в - с завихрителем (шнековая); 1 - вход жидкости; 2 - завихритель (шнек); 3 - вихревая камера.

Центробежные форсунки по способу получения закрутки в них потока жидкости делятся на:

а)тангенциальные, в которых жидкость входит в полость форсунки
через отверстие, ось которого перпендикулярна к оси форсунки, но не пересе
кается в ней, в результате чего распыливаемая жидкость получает закручива
ние относительно оси форсунки, способствующее распаду ее на капли,
рис.46 а-б;

б)шнековые, в которых закручивание жидкости создается по
средством специального завихрителя (шнека), имеющего на своей внешней
поверхности винтовые каналы,рис.46 в.

В двухкомпонентных центробежных форсунках горючее и окислитель смешиваются между собой в сопле форсунки или в ее специальной камере смешения и поступают в камеру сгорания в виде эмульсии. Существуют разные конструкции этих форсунок, но принцип их действия остается одним и тем же. Преимущества струйных форсунок: