Жидкостные ракетные двигатели (стр. 18 из 36)

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:

— размещение (хранение) заданного объема компонентов топлива;

— обеспечение устойчивой подачи компонентов топлива в двигатель при всех допустимых режимах полета и колебаниях топлива в баках;

— обеспечение минимальной массы баков при выполнении условий прочности и жесткости в диапазоне действующих эксплуатационных нагрузок;

— применение оптимальных конструктивных решений, обеспечивающих прогрессивные технологические методы изготовления и испытаний;

— применение рациональной компоновки баков на летательном аппарате, обеспечивающей удобства эксплуатации и заправки топливом и дающей минимальные перемещения центра масс в процессе выработки топлива;

— изготовление из материалов, обладающих высокими удельными прочностными характеристиками, коррозионной стойкостью (для агрессивных компонентов), пластичностью при низких температурах (для криогенных компонентов).

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.