РД1 Лекции жрд 2017

Высокочастотные колебания (ВЧ) (f≥1000…10000 Гц)

Низкочастотная неустойчивость процесса в ЖРД

Имеют особенность – давление во всей камере в каждый момент времени одинаково. Колебательный процесс чаще всего охватывает не только газы в КС, но и всю систему топливоподачи.

Они возникают на режиме малых давлений в камере сгорания (в этом

случае не представляют большой опасности для прочности двигателя). Среднечастотные колебания возникают аналогично низкочастотным

колебаниям.

Высокочастотная неустойчивость процесса в ЖРД и РДТТ Наблюдается при высоких давлениях в камере и локализуется лишь в КС. Их появление приводит к весьма быстрому разрушению двигателя.

Это акустические колебания в газовой среде [рк=f(τ)] и в объеме камеры. Различаются в камерах продольные (а), поперечные (б) и тангенциальные (в) колебания.

а) в сечении параметры

одинаковы, а вдоль – разные б) параметры меняются вдоль радиуса

в) тангенциальные параметры линиям изобар.

б и в – вблизи смесительной головки (неоднофазность топлива)

При возникновении неустойчивого процесса возможны дефекты ДУ и ЛА в целом:

51

1)большие колебания величины тяги повышенные нагрузки на органы управления и ЛА,

2)большие колебания рк и Тк приводят к механическим и тепловым нагрузкам на стенки камеры (их прогару и разрушению),

3)вибрации всей системы (разрушению, неправильной работе).

Поэтому процесс в ЖРД и РДТТ должен быть доведен до момента, чтобы во всех диапазонах работы ДУ не возникала неустойчивость.

4. Камера двигателя ЖРД

Камера ЖРД – это соединенные в единое устройство камера сгорания и сверхзвуковое реактивное сопло (тяговый агрегат).

Рисунок 4.1. Камера ЖРД

52

Это один из тепловых и силовых напряженных узлов ЖРД, от которого

во многом зависит экономичность, надежность и др. показатели ЖРД.

В камере ЖРД в течение долей секунды (2…4мс) при высоких давлениях

итемпературах сгорает в малом объеме большое количество топлива. Основные требования к конструкции камеры:

1)Обеспечить J y max.

2)Высокую надежность работы.

3)Минимальную массу.

4)Технологичность изготовления.

Конструктивно камеру ЖРД чаще всего делят на 3-и части, сборочные единицы:

внутренней стенки 5 и рубашки 6, обычно соединенных ребрами, или гофрами. Может иметь пирозапалы 4 и узлы крепления камеры 9.

53

Сверхзвуковая часть сопла III состоит из внутренней стенки 5 и рубашки 6, соединенных ребрами, или гофрами. Обеспечивают разгон газа до конечной сверхзвуковой скорости. В ней часто размещают коллектор подвода

«Г». Она соединяется с внутренней стенкой 5 сваркой, а рубашкой 6 камеры - полукольцами 8.

Камера сгорания служит для преобразования химической энергии в тепловую. Сопло II и III – служит для преобразования части тепловой энергии и потенциальной в кинетическую энергию газов.

Процессы в камере сгорания

Вкамере сгорания происходят физические процессы:

1.Распыливания топлива на капли (зона I).

2.Испарение капель компонентов топлива (зона II).

3.Смешение и горение топлива (зона III) (см. рисунок 4.3).

протекать одновременно. Название зоны определяется наиболее характерным для нее процессом.

Распыливание топлива – дробление жидкости на капли.

Параметры качества распыливания:

тонкость распыливания характеризуется величиной среднего диаметра

образующихся капель (для ЖРД средний диаметр составляет 25…250мкм);

54

однородность распыливания определяется кривой распределения размера

капель; дальнобойность струи определяется скоростью выхода струи из форсун-

ки и зависит от угла распыливания, плотности среды; распределение расходонапряжённости по поперечному сечению струи

компонента, которое определяется типом форсунки.

Испарение капель компонентов топлива – процесс перехода из жидкости в пар (фазовый переход). Процесс протекает за 0,002…0,008 с. Скорость испарения зависит от температуры окружающей среды, размера капель, от

относительной (к потоку газа) скорости движения капель, от химических и теплофизических свойств вещества капли и газовой фазы.

Смешение компонентов – процесс механического перемешивания компонентов.

Смешение горючего и окислителя происходит как в жидкой, так и в паровой фазе. В ЖРД желательно смешение с образованием однокомпонентного топлива или эмульсии, образованной в жидкой фазе до камеры сгорания. Для ЖРД характерно смешение компонентов в камере сгорания. Интенсивность процесса определяется турбулентной диффузией и конвективным переносом.

Смешение начинается с момента поступления их в камеру сгорания (зона I) и заканчивается в зоне сгорания топлива (зона III).

Горение – процесс перехода топлива в продукты сгорания с помощью химической реакции.

Вкамере сгорания в основном происходит гомогенное горение.

1.Зона физических процессов I (горение) (см. рисунок схема процессов в камере ЖРД)

2.Зона выравнивания физического состояния газа II и догорания остатков топлива.

Форма и размеры камеры сгорания

55

Форма и размеры камеры сгорания (КС) современных двигателей получают экспериментально.

В современных отечественных двигателях КС выбирают чаще всего цилиндрическую с плоской форсуночной головкой.

????4.2. Процессы в сопле ракетного двигателя

В РДУ применяются сверхзвуковые сопла. Чаще всего применяются в РД сопла Ловаля. (привести геометрическую схему)

Параметры сопла

1.Геометрическая степень расширения сопла

Fс = Fa /F* = πda2 /πd* 2 = (da /d*)2

2.Степень расширения газов в сопле

ε = pк / ра > ε*

Fc cвязана со степенью расширения газов ε и определяет её m, ε, pк определяют F* , Fa .

В настоящее время применяются профилированные сопла.

Тягу определяет осевая составляющая сил, действующих на камеру, а следовательно, тягу создаёт осевая составляющая скорости, истекающего из сопла газа

Остальное – потери на непараллельность истечения.

Чтобы уменьшить потери надо уменьшить α2, но у охлаждаемого сопла увеличивается его длина и масса, что не выгодно.

Поэтому: 1) Если Fc = 5…10 – применяют конические сопла.

2) Если Fc = 10…15 – профилированные сопла, где α2

переменная и уменьшается к срезу сопла.

Профиль сверхзвуковой части сопла описывается кривой, образующей поверхность сопла. Такая поверхность обеспечивает безотрывное течение газа в сопле.

Угол входа составляет α2вх = 35…45о, а угол выхода α2вых = 10…12о.

56

Образующая, соединяющая точку входа с точкой выхода из сопла –

окружность, парабола, кривая, полученная методом характеристик.

Режимы работы сопла

Тяга камеры ЖРД

Р = mCа + Fа ( pа − pH )

pH = f(H) Как при это задавать ра ?

При этом могут быть 3-и режима работы сопла:

1) ра < рH – режим работы сопла с перерасширением

2)ра = рH – расчётный режим работы сопла.

3)ра > рH – режим работы сопла с недорасширением (сопло способно создает большую тягу при увеличении его длины). Возможности к п д цикла – недоиспользуются, т. к. Са можно увеличить путём увеличения длины сопла.

4.3. Конструкция камеры ЖРД

Камеры ЖРД имеют различные конструкции: штырьковые, тарельчатые, цилиндрические, сферические, секционные с центр. телом.

4.3.1. Конструкция смесительной головки

Назначение – подготовка топлива к сгоранию и зашита стенки к.с. от перегрева.

Требования к головке:

1)обеспечение хорошего смесеобразования

2)высокая жесткость головки при минимальной массе

3)малое гидравлическое сопротивление полостей "О" и "Г"

4)надежная герметичность всех соединений, сварных и паяных швов, исключающая возможность перетечек между полостями "О" и "Г".

Головки могут отличаться:

а) по фазовому состоянию компонентов топлива,

57

б) форме форсуночного блока, в) способу изготовления

а) жидкостные, газожидкостные, газовые, б) плоские, сферические, конические, в) сварные, паяно-сварные.

Современная жидкостная головка с плоским форсуночным блоком, паяно-

сварная

Преимущества:

- технологичность, - получение однородного состава смеси и равномерного

отверстия составляет 0,02…0,1мм и зависит от марки припоя.

Соосны отверстия среднего и внутреннего днищ. Пайка может соединять разные материалы. Внутреннее днище имеет теплопроводность λ. = max. Прочность всего блока обеспечивает среднее днище (стальное).

58

Если жесткости форсуночного блока недостаточно, его подкрепляют ребром жесткости 4, сваренным с наружным и средним днищами.

Наружное днище нагружено перепадом давления ∆рнар=Рок - Рн. Его делают для облегчения сферическим (в нем действует напряжение растяжения).

В газожидкостную головку один компонент поступает в газообразном виде, а второй – в жидком. В двигателях с дожиганием из-за малой плотности ρ газа газовод, как правило, имеет большой диаметр. Это конической формы диффузор. Для выравнивания скоростей перед форсуночной головкой применяется решетка.

В газовой головке оба компонента в газообразном состоянии.

?Форсунки

Предназначены для распыливания компонентов их распределения по объему камеры.

Требования, предъявляемые к форсункам:

1)возможно тонкий распыл жидкости при минимальном перепаде давления;

2)малый допуск на расходные характеристики;

3)высокая пропускная способность;

4)простота конструкции;

5)технологичность.

По принципу действия форсунки бывают:

струйные, центробежные, струйноцентробежные. По числу компонентов:

однокомпонентные, двухкомпонентные Струйные форсунки:

а) однокомпонентная струйная форсунка (см. рисунок 4.5)

б) 2-х компонентная струйная форсунка.

Рисунок 4.5. Однокомпонентная струйная форсунка

59

Струйная форсунка – точно выполненное отверстие в днище, или в специальной втулке, впаянной в днище.

Силовая форсунка – использует кинетическую энергию струи, при столкновении струя распадается на капли.

Для газа отв. может быть больше.

Распыливание в струйных форсунках из-за трения об окружающую среду

Они применяются с легко испаряемыми жидкостями. Центробежные форсунки

Такая форсунка приведена на рисунке 4.6. Устройство состоит из корпуса 4, камеры закручивания 5 –. тангенциального входного отверстия 6, сопла форсунки 7.

Для центробежной форсунки ц.ф.=0,15…0,45.

Fж=Еж Fc,

где Fж – площадь струи жидкости, Fc – площадь сопла

Еж – коэффициент динамического сжатия жидкости (Еж<1).

????Используется для плохоиспаряющихся жидкостей. Точность изготовления сопла 6-7 квалитет. Преимущества:

-хороший распыл при ∆Рф=min,

-для высококипящих жидкостей. Недостаток:

-занимает большую площадь (малый ц.ф.=max), - сложная конструкция.

60