Жидкостные ракетные двигатели (стр. 17 из 36)

- струйные форсунки обладают конструктивной простотой и относительной дешевизной изготовления;

- сравнительно малые диаметральные размеры форсунок, что позволяет увеличить количество установленных форсунок при постоянстве пло-

щади;

- невозможность прогара огневого днища, в связи с повышенной дально
бойности.

Недостатки струйных форсунок:

- малая тонкость распыла;

- повышенная длина зоны распыла этих форсунок обуславливает увели чение потребного объема и удельного веса камеры сгорания.

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:

1) угол распыла задней форсунки подобрать так, чтобы входные отверстия передней форсунки находились вне полости удара конуса распыла о стенку задней форсунки;

2) диаметр газового вихря передней форсунки должен быть больше диаметра сопла задней форсунки.

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.