Устройство и типы камер сгорания

Геометрические размеры камер двигателей устанавливаются из условия обеспечения заданной тяги при возможно больших значениях удельной тяги, т.е. при возможно большем использовании энергии, содержащейся в топливе.

Объём камеры определяется по времени пребывания в камере топлива и газообразных продуктов – τ_пр.. оно должно быть достаточным для полного завершения процесса в камере сгорания.

Объём камеры сгорания определяется по формуле

где - весовой секундный расход газа;

R – газовая постоянная продуктов сгорания;

Т_о и Р_о температура и давление газов в камере.

Другим параметром, использующимся для определения объёма, является приведённая длина – L_пр. - , где F_кр – площадь критического сечения сопла.

Для окончательного определения размеров камеры необходимо кроме V_k знать диаметр камеры d_o или безразмерную площадь f_k = F_o/F_кр. Обычно принимают f_k ≥ 3. Ориентировочно диаметр камеры для азотно-кислотных двигателей определяется по зависимости d_o = (2,5…3)d_кр, а для спиртово-кислородных d_o = (2,5…2,5)d_кр.

Форма камеры сгорания может быть шарообразная (грушевидная, например, на двигателе «Фау-2»), цилиндрическая (на двигателях современных ракет-носителей) и коническая (практически не применяется).

Достоинства шарообразной камеры сгорания в том, что

1. при заданном объёме поверхность у неё наименьшая, что уменьшает вес камеры сгорания и облегчает охлаждение;

2. эти камеры сгорания более прочные по сравнению с цилиндрическими камерами.

Недостатки шарообразной камеры сгорания в том, что

1. она сложна в изготовлении;

2. имеет малую площадь для размещения форсунок и поэтому форсунки размещают в форкамерах, что усложняет технологию изготовления камеры сгорания.

Цилиндрические камеры сгорания удобны и просты в изготовлении. В них легко осуществляется процесс смесеобразования. Недостатки камеры сгорания в том, что прочностные свойства ниже, чем у шарообразной камеры и больше поверхность для охлаждения.

Коническая камеры сгорания представляет собой входную часть сопла и поэтому проста в изготовлении. Основным недостатком камеры является низкая удельная тяга, так как вследствие разгона продуктов сгорания по длине камеры и падения давления незавершается процесс горения.

Подготовка горючего и окислителя к сгоранию осуществляется в процессе смесеобразования: компоненты топлива распыляются, перемешиваются и частично испаряются. Для лучшего смесеобразования необходимо обеспечить:

1. тонкость распыла компонентов и хорошее их перемешивание (характеризуется диаметром капелек – 25…250 мк);

2. однородность концентрации топлива по поперечному сечению камеры (уменьшаются потери из-за физической неполноты сгорания);

3. равномерные скорости движения по поперечному сечению камеры сгорания, т.к. при больших скоростях горение неполное, а при малых скоростях не полностью используется объём камеры.

Выполнить эти условия можно подбором соответствующе головки камеры, типом форсунок и расположением их на головке.

В ЖРД применяются головки плоские, сферические с предкамерами и шатровые.

Плоские головки (рис. 10)применяют для цилиндрических или конических камер сгорания. Они имеют простую конструкцию и в сочетании с цилиндрическими камерами обеспечивают однородность поля скоростей и концентрации топлива по поперечному сечению. Их недостаток – малая прочность и жесткость. На плоских головках форсунки размещают 3 способами: шахматное расположение; концентричное и сотовое. Сотовое расположение обеспечивает лучший процесс смесеобразования, так как на одну форсунку горючего приходится 6 форсунок окислителя. Возможно сочетание концентричного расположения форсунок с шахматным и сотовым.

Сферические головки с предкамерами применяются для грушевидных или сферических камер сгорания («Фау-2», 8К52), т.е. для двигателей больших тяг. Форсунки у них находятся в предкамерах: в центре ставится форсунка «О» с большим числом отверстий, расположенных под различными углами к оси предкамеры, а форсунки «Г» размещаются на боковой поверхности предкамеры.

Шатровые головки сложны в изготовлении, и в них трудно организовать хорошее смесеобразование.

От типа форсунок и их конструкции зависит качество распыла. По принципу действия форсунки разделяются на две группы:

1. струйные форсунки (разновидность - щелевые);

2. центробежные форсунки - тангенциальные и шнековые (с завихрителями).

Форсунки могут быть однокомпонентными и двухкомпонентными.

Струйные форсунки рис.11 наиболее просты в изготовлении. Основные недостатки струйных форсунок в грубом распыле топлива, малом угле конуса распыла (≈10…15^о) и большой дальнобойности струи, увеличивающей зону распыла и удлиняющей камеру сгорания.

В центробежных форсунках создаётся искусственная закрутка компонента. В тангенциальной форсунке жидкость поступает через отверстие, ось которого перпендикулярна к оси форсунки, но не пересекается с ней. Центральная часть такой форсунки не заполнена жидкостью – в ней находится газовый вихрь, а жидкость расположена по переферии.

В шнековой форсунке закрутка осуществляется шнеком, имеющим на своей поверхности винтовые каналы.

Центробежные форсунки обеспечивают большой угол распыла (≈70…120^о) при небольшой длине факела распыла.

Двухкомпонентные форсунки позволяют улучшить смесеобразование, так как обеспечивают смешение компонентов в жидкой фазе, но они сложны в производстве, и применяются в том случае, когда недостаточно места для размещения.

5. Геометрические размеры и форма сопла.

Продукты сгорания, образовавшиеся в камере двигателя, поступают в сопло, где происходит превращение тепловой энергии в кинетическую энергию движения газов.

Состояние продуктов сгорания, как и всякого газа, характеризуется вполне определёнными физическими величинами (параметрами), главные из которых:

абсолютное давление Р, абсолютная температура Т, плотность ρ (удельный вес γ или удельный объём υ), газовая постоянная R и скорость истечения W.

Для идеальных газов или их смесей установлена связь между основными параметрами в виде уравнения состояния: (1)

Процесс в камере двигателя происходит без подвода тепла к газу и отвода его от газа. Такой процесс называется адиабатическим. Для адиабатического процесса между параметрами существует связь, выражающаяся зависимостями:

, . (2)

Газ из камеры поступает в сопло. Из уравнения энергии установлено, что зависимость между скоростью газа и сечением канала выражается уравнением , (3)

где М=W/a (a – скорость звука).

Свойства газового потока зависят от скорости звука. При адиабатическом процессе скорость звука определяется по формуле . Сечение, где скорость газа равна скорости звука, называют критическим и все параметры потока называют также критическими. Равенство двух скоростей можно получить только при определённом соотношении давления в камере и на срезе сопла: . Это соотношение является исходным параметром при проектировании сопла и связано с соотношением S_a/S_кр, которое называют уширением сопла.

Сверхзвуковые скорости продуктов сгорания можно получить при помощи сопла Лаваля (сверхзвуковое сопло), представляющего собой канал, сечение которого сначала уменьшается, а затем увеличивается (см. формулу сопла – уравнение (3))

Как следует из формул (1,2,3)параметры газового потока по длине сопла изменяются следующим образом рис.14.

Размеры и форма сопла выбираются так, чтобы сопло не давало больших потерь энергии. Поверхность его должна быть наименьшей, так как с увеличением поверхности возрастают вес сопла и количество тепла, отдаваемого в охлаждающую жидкость. Избежать потерь энергии при движении газа по соплу невозможно, но снизить их можно.

Одна из потерь – потери на трение. Они зависят от формы входной части сопла. Для уменьшения этих потерь вход в сопло делают плавным, а в критическом сечении сопло округляют (радиус округления обычно принимается r = d_кр).

В выходной части сопла потери энергии возможны из-за отрыва потока от стенки и за счёт трения газа о поверхность. При F_a=const и F_кр=const уменьшить поверхность сопла можно уменьшая его длину или увеличивая угол раствора выходного конуса. Однако увеличение угла раствора выходного конуса возможно до некоторого критического значения, при котором может произойти отрыв потока, Существует оптимальное значение угла раствора - 2α ≈ 20^о…30^о.

Кроме перечисленных потерь в конических соплах есть потери на рассеивание скорости: скорость газа на выходе из сопла направлена под углом к оси и поэтому в создании тяги участвует лишь осевая составляющая скорости. Чем больше угол раствора сопла, тем больше потери на рассеивание, а уменьшение угла удлиняет сопло, т.е. увеличивает потери на трение. Уменьшают потери на рассеивание профилированием сопла, которое может быть газодинамическим (идеальное) и оптимальное. При газодинамическом профилировании форма выходной части подбирается так, чтобы газы истекали пучком параллельным оси сопла. Достигается это плавным уменьшением угла раствора сопла по длине так, чтобы на входе он был равен нулю или очень мал. Длина идеально спрофилированного сопла по сравнению с коническим соплом увеличивается в 1,5 раза, однако удельная тяга возрастает на 4,5%.

На практике нашли применение оптимальные сопла, обеспечивающие наибольшую тягу двигателя при определённых условиях - длине, массе, F_a/F_кр. При этом выходная часть сопла выполняется с углами раствора 2α₁ и 2α₂, а линия перехода между ними строится по параболе см. рис. 15.

Так как температура в газовом потоке очень высока, то огромные тепловые потоки передаются от газа к стенкам камеры и сопла. Для защиты стенок применяют наружное, внутреннее и смешанное охлаждения.

При наружном охлаждении (рис. 16) охлаждающая жидкость поступает в коллектор, а из него в зарубашечное пространство. В качестве охлаждающей жидкости выбирается компонент, способный поглотить большее количество тепла, т.е. имеющий большую теплоёмкость и высокую температуру кипения.

При внутреннем охлаждении создаётся пристеночный слой с более низкой температурой, снижающий тепловые потоки к стенке камеры. Например, горючее можно подать через специальные кольцевые пояса, имеющие струйные или щелевые форсунки. Жидкость под действием газового потока растекается тонким слоем по поверхности и испаряется. в результате возникают два защитных слоя: жидкая и паровая завесы.

Разновидностью внутреннего охлаждения является пористое охлаждение: через поры жидкость попадает в камеру, создавая паровую завесу.

Недостатком внутреннего охлаждения является снижение удельного импульса двигателя из-за неполного участия горючего в процессе сгорания.

Смешанное охлаждение – комбинация двух видов охлаждения.

В зависимости от соотношения давления на срезе сопла Р_а и давления в окружающей среде Р_h сопло может работать на расчётном режиме (Р_а = Р_h), режиме перерасширения (Р_а < Р_h) и недорасширения (Р_а > Р_h) рис. 17.

Так как тяга – это осевая равнодействующая сил внешнего и внутреннего давления, распределённого по внутренней поверхности камеры и внешней поверхности ракеты, то из рисунка 17 видно, что отклонение от расчётного режима приводит к уменьшению тяги и удельного импульса двигателя. В случае недорасширения (рис.17, А) давление в струе сравняется с Р_h только в сечении 1-1 и на участке от среза сопла до 1-1 энергия струи потеряна. Поэтому величина удельного импульса двигателя в этом случае будет ниже, чем на расчётном режиме.

В режиме перерасширения от сечения 2-2 до среза сопла осевая результирующая сила будет направлена против силы тяги.

Таким образом, становится очевидным, что оптимальным режимом работы сопла при неизменном расходе топлива является расчётный режим. На расчётном режиме двигатель будет иметь максимальный удельный импульс.

Недорасширение давления в газовом потоке возникает при подъёме ракеты на высоту. Газ, вытекающий из сопла при избыточном давлении, расширяется в атмосфере и перемешивается с внешней средой. При этом скорость потока при расширении вне сопла практически не увеличивается из-за образования завихрений на границах струи.

При перерасширении (перерасширение может возникнуть, например, при уменьшении расхода топлива в двигателе и соответствующем снижении давления в камере сгорания) за пределами сопла происходит торможение потока и уменьшение скорости до дозвуковой. Переход к дозвуковой скорости сопровождается скачкообразным увеличением давления. По мере роста внешнего давления скачки давления приближаются к срезу сопла и при достаточно большом избыточном давлении в атмосфере (по некоторым данным Р_h/ P_a > 2.5…5,5) входят внутрь сопла.

В этом случае нарушается нормальный режим работы сопла, так как образование скачков внутри сопла приводит к отрыву потока от стенок, возникновению мощных завихрений и большим потерям кинетической энергии.