ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Сгорание топлива в жидкостном ракетном двигателе (ЖРД) из "Моторные, реактивные и ракетные топлива Изд4" Ракетные двигатели в отличие от ВРД используют для сжигания горючего окислитель, находящийся на борту летательного аппарата. ЖРД — двигатель непрерывного горения, в котором сила тяги создается вследствие реакции струи газов, образующихся при сгорании смеси жидкого горючего с жидким окислителем. [c.133] На рис. 50 изображена схема одного из жидкостных двигателей Циолковского, в которой в качестве топлива используются жидкие углеводороды и жидкий кислород. Кроме разработки принципиальной схемы ЖРД, К. Э. Циолковским был решен ряд конструктивных вопросов. Многие из его предложений осуществлены в современных ЖРД. Например, охлаждение камеры сгорания горючим, размещение рулей управления ракетой в струе вытекающих газов и др. [c.134] Использование в качестве окислителя не кислорода воздуха, а жидкого кислорода или другого активного окислителя дает возможность значительно повысить теплопроизводительность топлива, т. е. количество тепла, приходящегося на 1 кг продуктов сгорания. В этом случае теПло не расходуется на нагревание балластных компонентов, присутствующих в окислителе, таких, например, как азот в воздухе. Благодаря этому в ЖРД продукты сгорания нагреваются до очень высоких температур (3000—4000° К), что дает возможность получить высокие скорости истечения продуктов сгорания, а следовательно, и большие мощности, недоступные никаким другим типам двигателей. Так, например, двигатель немецкой ракеты У-2 развивал мощность свыше 600 ООО л. с. [c.134] Принципиальная схема современного ЖРД показана на рис. 51. Жидкий окислитель и жидкое горючее при помощи насосов, приводимых в действие вспомогательной турбиной, подаются в форсунки, расположенные в головке двигателя. Форсунки располагают в головке с таким расчетом, чтобы обеспечить лучшее смешение топливных компонентов. Топлива могут быть самовоспламеняющиеся при соприкосновении горючего с окислителем инесамовоспламеняющиеся. Последние воспламеняются при помощи специальных устройств. [c.134] Чаще всего они воспламеняются от зажигающего факела, образующегося в результате применения самовоспламеняющегося пускового топлива. [c.135] Воспламенение может также осуществляться специальным пиротехническим приспособлением. Последнее представляет один или несколько пороховых патронов, которые воспламеняются при помощи электричества. Такой пороховой патрон горит в течение нескольких секунд и воспламеняет смесь. . [c.135] После воспламенения топлива в камере сгорания устанавливается непрерывное горение поступающего топлива. В сопловом устройстве кинетическая энергия продуктов сгорания преобразуется в тягу двигателя-. [c.135] Конструктивное оформление двигателя определяется его назначением. Рассмотренная схема ЖРД с турбонасосной подачей топлива (рис. 51) используется обычно для двигателей, рассчитанных на длительную работу. Для двигателей кратковременного действия (двигатели ускорителей, зенитных снарядов) небольшая емкость топливных баков дает возможность применять газобаллонный способ подачи топлива (рис. 52). [c.135] Назначение двигателя определяет также и требования к развиваемой тяге и продолжительности работы, что влияет на размеры камеры сгорания, емкость топливных баков й на выбор топливных компонентов. [c.136] В отличие от других двигателей непрерывного горения процесс сгорания топлива в ЖРД протекает при очень высоких температурах (3000—4000° К) и давлении (до 100 ат). В этих условиях химические реакции взаимодействия горючего и окислителя протекают с очень высокой скоростью. Время пребывания топлива в камере сгорания (с момента поступления до момента образования продуктов сгорания) исчисляется 0,003—0,008 сек. В то же время, как и в ВРД, процесс горения протекает в сильно турбулизированном потоке паров горючего и окислителя. Вблизи головки двигателя возникают интенсивные обратные токи продуктов сгорания. Все это дает возможность рассматривать процесс сгорания в ЖРД, как и в ВРД, состоящим из двух одновременно протекающих процессов — распространения пламени и самовоспламенения объемов смеси паров горючего и окислителя, попадающих в зону с высокой температурой. [c.136] Хотя смесь самовоспламеняется практически мгновенно, суммарный процесс самовоспламенения, включающий преднламенную подготовку смеси, протекает достаточно медленно. [c.137] В этой области возможно протекание периодических предпламенных реакций, аналогичных рассмотренным выше реакциям, протекающим в переходной зоне самовоспламенения. [c.137] Скорость горения топлива в кинетической области ограничивается не процессами смешения, а кинетикой химических реакций, что й определило название этой области. [c.137] Область диффузионного горения характеризуется высокой температурой газов. Здесь скорость химической реакции значительно превышает скорость взаимной диффузии молекул горючего и окислителя, скорость перемешивания компонентов. В этой области сгорание топлива протекает преимущественно вследствие распространени р пламени в несгоревшей смеси. Процессы самовоспламенения в это области играют незначительную роль. [c.137] Рассмотренное разделение камеры сгорания ЖРД является условным, так как в двигателе не представляется возможным провеет четкой границы между зонами. Несмотря на это, оно является полезным, так как дает возможность составить представление прог цессах, протекающих в камере сгорания ЖРД. [c.137] Неустойчивое или вибрационное горение в ЖРД (жесткое горение) происходит в ЖРД всех типов независимо от размеров и конфи-хурации камеры сгорания, применяемого топлива и системы питания. [c.138] Неустойчивое горение проявляется в виде периодических колебаний давления в камере сгорания. В тех случаях, когда амплитуда колебаний невелика и не происходит нарушения нормальной работы и практического использования двигателя, горение считается условно устойчивым. [c.138] Законченной теории неустойчивого горения в ЖРД до сих пор нет. Экспериментаторы отмечают два вида колебаний давления, возникающих в камере сгорания ЖРД, — высокочастотные (бопее 1000 гц) и низкочастотные (ниже 300 гц). Известны следующие представления, объясняющие физический механизм возникновения колебаний в камере ЖРД. [c.138] Низкочастотная неустойчивость является следствием взаимодей- ствия колебаний в камере сгорания с колебаниями в системе питания двигателя. При изменении давления в камере сгорания при постоянном давлении в системе питания изменяется подача топлива. Так, при повышении давления в камере сгорания подача топлива уменьшается. Уменьшение подачи топлива в свою очередь уменьшает давление в камере сгорания. Сгорание поступившего топлива происходит в двигателе не мгновенно, а в течение некоторого промежутка времени, зависящего от времени, необходимого для превращения топлива в продукты сгорания. В течение этого времени давление продолжает оставаться повышенным, а расход топлива пониженным. Затем процесс повторяется в обратном порядке. Из-за пониженного давления в камере сгорания подача топлива увеличивается, что повышает давление в камере-сгорания. В этом случае вследствие яаличия времени преобразования повышенное давление держится в камере сгорания дольше, чем требуется для выравнивания давления, и колебания не затухают. Эти колебания характеризуются низкими частотами благодаря инерции массы жидкого топлива, участвующей в колебаниях. [c.138] Экспериментальные исследования явления низкочастотной неустойчивости подтверждают приведенный выше физический механизм возникновения. Так, например, низкочастотная неустойчивость уменьшается при сокращении времени преобразования, увеличении лерепада давлений между баком и камерой, увеличении объема камеры сгорания и длины трубопроводов и уменьшении поперечного сечения трубопроводов или увеличении массовой скорости в них 133]. [c.138] Вернуться к основной статье