Жидкостные ракетные двигатели. В. Г. Попов, Н. Л. Ярославцев К65 Жидкостные
 Скачать 4.57 Mb.
|
|
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:
5) щелевые, предназначенные для одновременного распыла двух компонентов и конструктивно представляющие концентрические щели в головке камеры двигателя. Различают щелевые форсунки:
 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:
щади; - невозможность прогара огневого днища, в связи с повышенной дально бойности. Недостатки струйных форсунок:
Угол факела распыла струйной форсунки весьма мал, 5—10°, причем зона конца распада струи на капли далеко отстоит от головки камеры. Этот угол измеряется от среза сопла форсунки и характеризует форму факела распиливаемой жидкости. Величина этого угла зависит в основном от соотношения длины сопла (отверстия) к его диаметру, степени турбулизации расширяющегося факела и давления в камере сгорания. Для укорочения зоны распыла, получения более тонкого распыла и равномерного распределения компонентов топлива по поперечному сечению камеры сгорания струйные форсунки обычно располагают так, чтобы струи распыливаемых жидкостей пересекались между собой. Приближение точек столкновения струй к головке позволяет с максимальной полнотой использовать объем камеры сгорания и создать более устойчивое сгорание образующейся топливной смеси благодаря уменьшению до минимума нереагирующих газовых застойных зон вблизи головки камеры, а также более качественному смесеобразованию. Углы, определяющие направление струй впрыска компонентов топлива одноструйными форсунками, должны быть выбраны так, чтобы результирующий вектор количества движения после столкновения струй имел осевое направление, т.е. параллельное оси камеры двигателя. При увеличении угла соударений струй средний диаметр капель уменьшается в связи с увеличением относительной скоростижидкостей струй в точке соударения. Это способствует более равномерному распределению топлива по поперечному сечению факела. Одновременно улучшается однородность смешиваемых компонентов топлива. Оптимальными углами соударения струй, создаваемых струйными форсунками, следует считать 80—100°, так как при больших углах значительная часть распыливаемой жидкости будет отлетать в сторону головки, что ухудшит смесеобразование, а при малых углах соударения струй (60° и меньше) образуется резко выраженная неравномерность расходонапряженности в ядре факела и удлиняется камера сгорания за счет увеличения зоны перемешивания компонентов. Преимущества и недостатки центробежных форсунок. Центробежные форсунки имеют относительно больший угол распыла жидкости (около 70—120°) при небольшой длине факела и дают более тонкий распыл, чем струйные форсунки; но изготовление их относительно сложнее. Форма факела этих форсунок в основном зависит от степени закручивания в них распыливаемой жидкости. В центробежной форсунке жидкость поступает в камеру закручивания по тангенциальным каналам, ось которых смещена относительно оси сопла. В камере закручивания жидкость приобретает интенсивное вращательное движение и далее поступает в сопло.   Рис. 47 Двухкомпонентные центробежные форсунки: а - со смешением компонентов топлива вне форсунки; б - со смешением компонентов топлива внутри форсунки (эмульсионная форсунка). При выходе из сопла форсунки тонкая пленка жидкости, на которую прекратилось действие центростремительных сил, делится на капли, разлетающиеся по прямолинейным траекториям, образуя факел. Угол факела и коэффициент расхода центробежных форсунок обусловлены законом сохранения момента количества движения жидких частиц относительно оси сопла. На указанные параметры можно действовать соответствующим выбором соотношений между размерами сопла, камеры закручивания и входных каналов. В настоящее время наибольшее применение в двигателях получили однокомпонентные центробежные форсунки благодаря их надежной работе и достаточно эффективному распылу. Кроме того, в этих форсунках в широком диапазоне можно изменять угол распыла для наиболее равномерного распределения компонентов топлива по поперечному сечению камеры сгорания. Двухкомпонентные центробежные форсунки по способу смешения компонентов топлива делятся на два типа: 1) со смешением компонентов топлива вне форсунки, рис.47 а. 2) со смешением компонентов топлива внутри форсунки, в спе- анальной смесительной камере (эмульсионные форсунки), рис.47 б. Существуют также конструкции двухкомпонентных форсунок, в которых компоненты топлива смешиваются в сопле форсунки. Форсунки первого типа выполняются соосными, одна в другой. Сопло внутренней форсунки вписывается зазором в воздушный вихрь наружной форсунки. Чтобы обеспечить хорошее смешение компонентов топлива, угол распыла внутренней форсунки должен быть больше угла распыла наружной форсунки. Форсунка второго типа состоит из двух расположенных друг за другом форсунок. Размеры распылительной части двухкомпонентной форсунки должны быть подобраны так, чтобы обеспечить безопасность запуска ее даже при входе в камеру закручивания одного из компонентов топлива раньше другого.  Рис.48 Двухкомпонентные газожидкостные форсунки: а,б,в - с внутренним смешением компонентов; г - с внешним смешением компонентов. Преимущества двухкомпонентных эмульсионных форсунок. Применение двухкомпонентных эмульсионных центробежных форсу- нок существенно улучшает смесеобразование и уменьшает зону распыла, так как они обеспечивают смешение компонентов топлива в заданном весовом соотношении перед подачей их в камеру сгорания. К тому же топливная эмульсия обладает меньшими вязкостью и поверхностным натяжением и поэтому легко дробится на мельчайшие капли. Применение эмульсионного распыла компонентов топлива в ЖРД дает следующие выгоды: а) уменьшается длина камеры сгорания за счет укорочения зоны рас пыла; б) получается почти полное сгорание топлива при относительно мень шем объеме меры сгорания, а, следовательно, и при меньшем ее удельном весе; в) требуется меньшее число форсунок; г) отпадает необходимость в большом перепаде давлений компонентов топлива в форсунках, что имеет существенное значение для двигателей боль ших тяг одноразового действия, где вопросы простоты и дешевизны конструк ции имеют решающее значение. Недостатки двухкомпонентных эмульсионных форсунок. При использовании форсунок этого типа несколько затруднена защита горючим оболочки камеры от перегрева ее горячими газами. В этом случае оболочку приходится защищать, устанавливая на головке камеры периферийные однокомпонентные струйные или центробежные форсунки. Существует еще одна разновидность двухкомпонентных форсунок -это двухкомпонентные газожидкостныефорсунки, которые применяются в камерах ЖРД с дожиганием генераторного газа. Они выполняются двух типов - с внешним и с внутренним смешиванием компонентов, рис.48. Форсунки с внешним смешиванием компонентов представляют собой две соосные форсунки - газовую и жидкостную, размещенные в одном корпусе. Газовая форсунка - струйная, а жидкостная - обычно центробежная с тангенциальным завихрителем. Преимущества форсунки с внешним смешением компонентов. Смешение компонентов происходит в камере сгорания (вне форсунки), при этом внешний жидкий конус распыла, создаваемый центробежной форсункой, защищает огневое днище от перегрева обратными токами горячих газов. В форсунках с внутренним смешением компонентов газ течет по центральному каналу, а жидкость впрыскивается в него через наклонные отверстия в стенке корпуса форсунки. Для защиты днища головки от воздействия горячих газов конструкцию газожидкостной форсунки дополняют наружным контуром в виде центробежной тангенциальной или шнековой жидкостной форсунки. Преимущества форсунок с внутренним смешением компонентов. Широкий конус распыла жидкости (до 120°), создаваемый этим контуром форсунки, обеспечивает при небольшом расходе жидкости (10-15%общего расхода через форсунку) надежную пленочную защиту поверхности днища между форсунками. Чтобы избежать взрыва двухкомпонентной форсунки, нужно исключить возможность проникновения одного из компонентов топлива в полость другого, для чего:
Момент количества движения в передней форсунке распространяется на всю массу смешанной и распыливаемой жидкости. Форсунки всех типов должны иметь хорошо обработанную поверхность, соприкасающуюся с движущейся жидкостью. Струйные форсунки должны иметь точный угол направления оси сопла относительно оси камеры двигателя. Производительность единичных однокомпонентных центробежных форсунок ЖРД с цилиндрической камерой сгорания и плоской головкой составляет около 20—80 г/сек горючего и 50—200 г/сек окислителя, а перепад давлений в форсунках—порядка 3,5—12 кг/см2. Чем большее число форсунок установлено на головке камеры двигателя, тем качественнее распыл ими компонентов топлива. Поэтому в двигателях средней и большой тяг число форсунок достигает нескольких сотен. Практически число форсунок двигателя ограничивается конструктивными и другими соображениями, в частности, необходимостью иметь не слишком малые проходные сечения каждой форсунки. При малых проходных сечениях форсунка может легко засориться механическими примесями, попавшими случайно в распыливаемую жидкость или образовавшимися в ней вследствие ее физической и химической нестойкости. Для изготовления топливных форсунок в виде отдельных узлов применяются различные материалы, от низко- и высоколегированных сталей до бронзы и латуни. Выбор материала для форсунок обусловливается видом и состоянием распыливаемых компонентов топлива, продолжительностью и условиями работы двигателя, числом его запусков, требованиями прочности и другими факторами. В случае применения химически активных компонентов топлива (например азотной кислоты, жидкого фтора и т. п.) внутренняя поверхность материала форсунок должна обладать высокой сопротивляемостью окислению и коррозии. Если у головки камеры двигателя будет значительная турбулизация горячих газов, вследствие которой в ряде мест форсунки будут нагреваться до 1300—1400° С, то материал этих форсунок должен обладать также высокой прочностью. При высокой температуре возможно оплавление сопел форсунок и нарушение их работы, что в результате может привести к аварии двигателя. Во время работы двигателя форсунки охлаждаются потоком проходящей через них распыливаемой жидкости. Температура этой жидкости перед поступлением в форсунки может быть отрицательной (в случае использования сжиженных компонентов топлива) и положительной, иногда даже близкой к температуре кипения при данном рабочем давлении, если жидкость предварительно используется для охлаждения камеры двигателя. 6.13.Способы размещение топливных форсунок на плоских головках камеры двигателя Форсунки размещают на головке камеры после того, как выбраны конструкция головки, тип наиболее приемлемых форсунок и их количество, а также определены их геометрические параметры.  Рис.49 Схема расположения форсунок на плоских головках. а - шахматное; б - сотовое; в - круговое; О- форсунки окислителя; «форсунки горючего При выборе схемы расположения форсунок на головке камеры проектируемого ЖРД необходимо учесть требования, предъявляемые к распылу компонентов топлива, и данные по распылу на существующих двигателях. В настоящее время форсунки горючего и окислителя размещают на головке камеры ЖРД в шахматном, сотовом, кольцевом и групповом порядках, рис. 49 При шахматном расположении форсунки горючего и окислителя чередуются между собой. При этом каждая форсунка горючего окружена четырьмя форсунками окислителя. Недостаток такого размещения форсунок состоит в том, что количество форсунок горючего примерно равно количеству форсунок окислителя большей производительности, так как окислителя в топливе почти в 2—5 раз больше, чем горючего. Вследствие этого мощная струя окислителя плохо смешивается со слабой струёй горючего, сбивая ее в сторону, что отрицательно сказывается на качестве смесеобразования. Наиболее совершенным является сотовое расположение форсунок. При сотовом расположении количество форсунок окислителя больше количества форсунок горючего. При этом каждая форсунка горючего окружена шестью форсунками окислителя, в результате чего смесеобразование сравнительно с шахматным расположением улучшается. В данном случае образуется столько отдельных пучков капель, сколько единичных групп форсунок расположено на головке камеры. При сотовом расположении можно иметь лишь вполне определенное количество форсунок горючего и окислителя. Шахматное и сотовое расположение форсунок можно осуществить, применяя плоскую головку с двумя полостями, расположенными одна над другой. Такая головка обеспечивает примерно одинаковый перепад давлений в форсунках каждого из компонентов топлива. По конструктивным соображениям в нижнюю полость головки обычно подают тот компонент топлива, который охлаждает камеру двигателя. При концентричном расположении форсунок, т. е. по поясам головки камеры, форсунки горючего и окислителя между собой чередуются. Удобство этого способа состоит в том, что при его применении упрощается подвод компонентов топлива к форсункам. Однако этот способ имеет небольшое применение. Для двигателей с плоской головкой камеры в основном применяют шахматное и сотовое расположение форсунок. При групповом расположении форсунки располагаются отдельными группами на огневом днище для обеспечения рационального температурного поля в объеме камеры ЖРД. Соответствующим расположением на головке форсунок горючего и окислителя можно защитить оболочку камеры от чрезмерного ее нагрева и прогара, создавая избыток горючего около ее поверхности. В этом случае приходится несколько нарушить выбранный принцип чередования форсунок и на периферии головки размещать избыточное количество форсунок горючего, которое могло бы создавать завесу горючего около поверхности оболочки. Для уменьшения расхода горючего на образование защитной завесы эти периферийные форсунки иногда выполняют с уменьшенным расходом топлива относительно основных форсунок. Защитить оболочку от перегрева горючим проще при сотовом расположении. При шахматном расположении форсунок по периферии головки необходимо устанавливать форсунки с уменьшенным расходом горючего; если расстояние от крайних форсунок до оболочки камеры будет велико, то около поверхности оболочки образуются мощные конвективные газовые токи, которые будут размывать пристеночный слой горючего, служащий для защиты оболочки от перегрева. Соответствующим расположением на головке форсунок горючего и окислителя можно защитить оболочку камеры от чрезмерного ее нагрева и прогара, создавая избыток горючего около ее поверхности. В этом случае приходится несколько нарушить выбранный принцип чередования форсунок и на периферии головки размещать избыточное количество форсунок горючего, которое могло бы создавать завесу горючего около поверхности оболочки. Для уменьшения расхода горючего на образование защитной завесы эти периферийные форсунки иногда выполняют с уменьшенным расходом топлива относительно основных форсунок.  Защитить оболочку от перегрева горючим проще при сотовом расположении. При шахматном расположении форсунок по периферии головки необходимо устанавливать форсунки с уменьшенным расходом горючего; если расстояние от крайних форсунок до оболочки камеры будет велико, то около поверхности оболочки образуются мощные конвективные газовые токи, которые будут размывать пристеночный слой горючего, служащий для защиты оболочки от перегрева.6.14. Назначение, схемы и конструктивные особенности топливных баков Топливные баки являются конструктивной составной частью (подсистемой) пневмогидравлической системы ЖРДУ, Они служат емкостями для размещения компонентов жидкого топлива и осуществления их подачи в камеры ЖРД. Топливные баки двухкомпонентных ЖРДУ обычно объединяются в отдельные агрегаты — баковые отсеки. Основными конструктивными элементами топливных баков являются оболочки (обечайки) и днища, образующие емкость; устройства для сбора топлива и ввода газа; заправочные и дренажные горловины; демпферы, разделители и другие устройства. Конструкция топливных баков зависит от типа и параметров ЖРДУ и особенностей летательных аппаратов, применяемых компонентов топлива, типа системы подачи, числа включений двигателя, максимальной и минимальной величин тяги, способов ее регулирования, величин действующих продольных и поперечных перегрузок, невесомости, места размещения баков на летательном аппарате, условий их нагружения и некоторых других специфических особенностей компоновки ЖРДУ на ЛА. К конструкции топливных баков предъявляется ряд требований:
Конструкции топливных баков в зависимости от восприятия обечайками баков внешних нагрузок разделяют на несущие и ненесущие. В несущих баках обечайки совмещают в себе функции стенок баков и обшивки корпуса и воспринимают как внешние нагрузки на корпус летательного аппарата, так и внутреннее давление наддува баков. Создаваемые избыточным давлением наддува растягивающие напряжения в обечайках уменьшают сжимающие напряжения от внешних нагрузок, что повышает устойчивость конструкции корпуса и позволяет уменьшить толщину стенок. Поэтому в конструктивном отношении несущие баки наиболее совершенны. Их широко применяют как в маломаневренных, так и в высокоманевренных летательных аппаратах. Баки, устанавливаемые внутри корпуса летательного аппарата и не воспринимающие внешние нагрузки, называются ненесущими. Они обычно применяются на маломаневренных летательных аппаратах, когда конструкцию баков следует изолировать от внешнего воздействия либо по конструктивным или эксплуатационным требованиям нельзя совмещать стенки баков с обшивкой корпуса. На летательных аппаратах могут применяться баки, подвешиваемые под корпусом или крылом и сбрасываемые после их опорожнения. Такие топливные баки позволяют уменьшить полетную массу и аэродинамическое сопротиэление летательного аппарата после их сбрасывания. Анализ действующих напряжений в обечайках несущих баков показывает, что в зависимости от соотношения величин внутреннего избыточного давления Ризб и внешних нагрузок, действующих на корпус летательного аппарата (изгибающего момента Мизг, продольных Nxи поперечных Ny), обечайки несущих топливных баков могут испытывать растяжение и сжатие, а при определенном сочетании этих нагрузок напряжения в обечайках баков могут полностью отсутствовать, либо быть очень небольшими. Поэтому все несущие баки можно разделить на нагруженные и разгруженные. К нагруженным бакам относятся баки ЖРДУ с вытеснительными системами подачи, так как высокое избыточное давление в этих баках создает растягивающие напряжения в обечайках, являющиеся определяющими расчете баков на прочность. К разгруженным бакам относятся обычно баки ЖРДУ с насосными системами подачи при невысоком избыточном давлении наддува и ограниченных внешних нагрузках. В этом случае избыточное давление в растягивающее обечайки баков, уменьшает суммарные напряжения в обечайке бака до минимальных (разгружает бак). Однако если сжимающие напряжения, создаваемые внешними нагрузками, существенно больше растягивающих напряжений от избыточного давления (характерно для высокоманевренных летательных аппаратов) такие топливные баки относятся к нагруженным. Формы топливных баков, применяемых на летательных аппаратов разнообразны, рис.50. При выборе форм баков учитываются функциональное назначение летательного аппарата, условия их оптимальной компоновки, возможность обеспечения минимальной массы баков, а также получения требуемых удобств при эксплуатации. Наибольшее распространение на летательных аппаратах получили баки цилиндрической формы, рис.50 а, имеющие при заданном объеме наименьшее поперечное сечение и обеспечивающее плотную компоновку летательного аппарата. Вопрос выбора взаимного расположения баков горючего и окислителя в топливном отсеке должен решаться исходя из требований по центровке ЛА и заданных эксплуатационных условий (например, требований по заправке баков компонентами топлива). При выборе порядка размещения баков следует учитывать, что плотность окислителей, применяемых в ЖРД двухкомпонентных топлив, обычно значительно больше плотности горючих. Поэтому взаимная перестановка баков горючего и окислителя позволяет существенно изменять положение центра масс летательного аппарата.  |