А—цилиндрическая; б—полугепловое сопло; в—шарообразная; г— коническая; д, е—кольцевые

К основным недостаткам цилиндрической камеры сгорания, по срав­нению с камерами других форм, относятся:

1. при одинаковом объеме она имеет большую поверхность оболочки, что усложняет ее охлаждение;

2. при прочих равных условиях она имеет худшую прочностную характе­ристику, что увеличивает ее удельный вес и стоимость;

3. газовый поток в этой камере сгорания больше обжимается поверхностью оболочки, чем в шарообразной камере сгорания, что несколько гасит его тур­булентность и утоняет ламинарный слой газа около поверхности оболочки, снижая полноту сгорания топлива и, следовательно, удельный импульс и уве­личивая теплоотдачу от газов к оболочке;

4. меньшая устойчивость работы в отношении высокочастотных колебаний, что ограничивает ее расходонапряженность, а также сужает пределы регулиро­вания тяги изменением расхода топлива.

Цилиндрические камеры сгорания выполняются со съемными или при­варными головками. Эти камеры обычно стоят на двигателях малых и средних тяг однократного и многократного применения, где в первую очередь требуют­ся простота и дешевизна конструкции. В последнее время наиболее часто при­меняются камеры сгорания цилиндрической формы с плоской головкой и однокомпонентными центробежными форсунками. Примером ЖРД с цилин­дрической камерой сгорания могут служить двигатели ОРМ-65и РД-107, рис.32

Шарообразные и близкие к ним грушевидные камеры сгорания по сравнению с камерами сгорания других форм имеют следующие основные дос­тоинства:

1. при заданном объеме они имеют относительно меньшую поверхность оболочки, что уменьшает удельный вес камеры сгорания и облегчает ее охлаждение;

2. при заданном давлении в камере сгорания они имеют меньшую толщину оболочки, что уменьшает удельный вес камеры сгорания;

3. оболочка этих камер сгорания обладает большей устойчивостью против вдавливания внутрь под воздействием на нее статического давления ох­лаждающей жидкости;

4. процесс сгорания топлива в них протекает более полно благодаря сравни­тельно хорошей турбулизации газового потока, что повышает удельный импульс двигателя на 2—3%;

5. при прочих равных условиях в этих камерах меньше теплоотдача от газов к оболочке камеры вследствие наличия около ее поверхности более тол­стого ламинарного слоя, ухудшающего теплоотдачу к оболочке от газов и облегчающего этим охлаждение камеры сгорания (газовый поток сравни­тельно меньше обжимается поверхностью оболочки).

Рис. 32

Двигатели с цилиндрической камерой сгорания: а-ОРМ-65 (1936 г.); б—РД-107 (1954—1957 гг.); 1 - внутренняя оболочка камеры; 2 - корпус; 3 - вкладыш; 4 - штуцер подачи окисли­теля; 5—форсунка окислителя; 6—головка; 7—форсунка горючего, 8—нить накаливания: 9— воспламеняющий состав; 10 — зажигательная шашка

К основным недостаткам шарообразных камер сгорания относятся:

1. сложность конструкции и технологии изготовления, что увеличивает ее стоимость;

2. сравнительно больший диаметр камеры сгорания, что может потребовать увеличения миделя ракеты.

Шарообразные камеры сгорания обычно имеют приварную ша­рообразную головку. Эту форму камеры сгорания имеют двигатели большой тяги со значительной продолжительностью работы, когда объем камеры сгора­ния настолько велик, что становится целесообразным предкамерный распыл компонентов, а также когда выгоды от уменьшения ее веса и повышения эко­номичности работы за счет формы преобладают над увеличением стоимости ее изготовления.

Примером ЖРД с шарообразными камерами сгорания может служить немецкий спирто-кислородный двигатель А-4, рис.33.

У конических камер сгорания по существу вся камера является вход­ной частью сопла. Они имеют пониженные значения Iуд по сравнению с дру­гими типами камер и вследствие этого не применяются, представляя только исторический интерес.

Основной причиной снижения Iуд являются большие скорости продук­тов сгорания в камере. Вследствие этого превращение тепловой энергии в ра­боту расширения является менее полным, т.е. имеют место большие потери на тепловое сопротивление. Кроме того, в конических камерах зона распыливания и испарения занимает значительную часть её полного объёма; зона сгорания при этом уменьшается, что приводит к худшему сгоранию или требует увели­чения полного объёма камеры.

Применение кольцевых камер сгорания в ЖРД определено исполь­зованием сопел с центральным телом. Различают цилиндрические и торовые кольцевые камеры сгорания.

Кольцевые камеры круглого сечения (торовые) целесообразно приме­нять при разгоне газа в сопле с центральным телом до больших чисел М.

По сравнению с другими типами кольцевые камеры сгорания имеют ряд недостатков. Поверхность их значительно больше, что приводит к увеличе­нию веса и затрудняет охлаждение камеры, особенно, «юбки» сопла. Кольцевая камера сгорания сложна в изготовлении, а для обеспечения её жесткости необ­ходимы либо специальные наружные рёбра жесткости, либо охлаждаемые стойки, связывающие наружный контур камеры с внутренним.

Достоинствами кольцевой камеры сгорания являются:

1. возможность регулирования модуля и направления вектора тяги, а также уменьшение вероятности возникновения вибрационного горения при раз­бивке камеры по окружности на ряд отдельных секций;
2. пониженные продольные геометрические размеры, по сравнению с дру­гими типами камер;
3. возможность установки в полости центрального тела ТНА или других аг­регатов.

Билет №3

1. Тяга в пустоте

2. Головки камер ЖРД и их конструкция

Тяга ракетного двигателя в пустоте.

Вывод формулы тяги ракетного двигателя базируется на 3-м законе Ньютона, при условии, что поток рабочего тела по тракту рассматривается ста­ционарным.

Стационарным называется движение, при котором расход газа во всех поперечных сечениях канала одинаков и не зависит от времени, а параметры газа в указанных сечениях, включая входное, постоянны и также не являются функцией времени.

Тяга реактивного двигателя является равнодействующей сил давления газов на внутренние и наружные поверхности камеры двигателя. Она возникает в результате преобразования химической энергии топлива в кинетическую энергию, истекающих из камеры, продуктов сгорания.

Тяга в пустоте - =0, рис.5

Рис.5

Определим результирующую силу , воздействующую на стенки камеры двигателя

где Fa - площадь среза сопла, м² :

Воспользуемся теоремой импульсов - импульс силы равен измене­нию количества движения:

где: - масса израсходованного топлива, тн - начальная масса

двигательной установки, тк - конечная масса двигательной установки; - время работы двигательной установки; Wc, Wa - скорости газового потока на входе в сопло и на его срезе, со­ответственно, так как Wa >> Wс.

где т - массовый секундный расход, кг/с;

где: - тяга ракетного двигателя в пустоте, Н;

Wэ.п. - эффективная скорость истечения в пустоте, м/с;

Головки камер ЖРД и их конструкция

Головка камеры двигателя является главным узлом, обеспечивающим правильную организацию смесеобразования в камере сгорания. Конструкция головки должна обеспечить устойчивое горение в камере, а также способствовать плавному выходу двигателя на режим и уменьшению импульса последействия. При проектировании головки должно быть осуществлено необходимое размещение и надежное крепление форсунок, наиболее удобный под­вод компонентов к форсункам и технологически возможно более простое со­единение головки с камерой сгорания. На головке располагаются устройства для ввода в камеру топлива. Жидкое топливо подается в камеру форсунками, а в случае применения схемы с дожиганием газа, поступающего из ТНА, или при подаче топлива (например, перекиси водорода) в газообразном состоянии - через специальные окна, выполненные в головке. При двухкомпонентном жидком топливе головка имеет днe полости. В двигателях с регулированием тяги путем отключения групп форсунок эти полости могут иметь дополнительные перегородки, позволяющие отдельно подводить топливо к различным группам форсунок.

На головке размещаются также узлы крепления двигателя, клапаны, служащие для запуска, отсечки и регулирования тяги двигателя, а в ряде случа­ев и антивибрационные устройства, и воспламенители.

Основным требованием к конструкции головки является обеспечение заданных условий смесеобразования и защиты стенок камеры от чрезмерного нагрева и прогара. Эти задачи, как указывалось, решаются рациональным раз­мещением форсунок на головке, выбором производительности отдельных групп форсунок и их характеристик, а также надлежащим охлаждением двига­теля. Одновременно конструкция головки должна обладать достаточной жест­костью несмотря на ослабление ее стенок большим количеством отверстий под форсунки, обеспечивать возможность подвода компонентов с минимальным гидравлическим сопротивлением и иметь надежную защиту от перегрева горя­чими газами.

Для наилучшего смешения компонентов на головке желательно раз­местить максимально возможное число форсунок. Минимальное расстояние между форсунками определяется условиями прочности стенки головки, усло­виями размещения в теле головки каналов для подвода компонентов, если го­ловка не имеет общей полости компонента, и, наконец, размерами форсунки. При центробежных форсунках определяющим фактором является размер фор­сунки, так как жесткость головки может быть обеспечена включением корпуса форсунки в силовую схему, а подвод компонентов в большинстве случаев осу­ществляется из общей полости. При струйных форсунках, имеющих относи­тельно малые размеры, минимальный шаг определяется при данном угле распыла расстоянием от поверхности головки зоны соударения струй или условиями подвода компонента. В выполненных конструкциях при центробежных форсунках шаг составляет 6-30 мм, а при струйных форсунках минимальный шаг может быть доведен до 3 - 4 мм.

Тот или иной способ размещения форсунок выбирается либо на осно­вании имеющегося опыта смешения компонентов топлива данного состава, либо из чисто конструктивных соображений, включающих подвод топлива и жесткость головки.

Основными конструктивными элементами головки являются форсу­ночное днище и наружная стенка. В свою очередь форсуночное днище чаще бывает двухстенным и реже - одностенным. При двухстенном форсуночном днище головка в целом является трехстенной. Тогда стенку форсуночного днища, обращенную к камере сгорания, называют внутренней или огневой, а вторую средней.

Одним из основных требований, предъявляемых к конструкции голов­ки, является обеспечение достаточной ее жесткости, а также сохранения герметичности ее элементов при возможных деформациях.

Головки камер ЖРД подразделяются на плоские, шатровые, сфериче­ские, цилиндрические и вихревые, рис.34.

Плоские головки являются наиболее распространенным типом. Плоские головки камеры имеют различное конструктивное оформле­ние.- Иногда их выполняют трехстенной конструкции с отдельными полостями для горючего и окислителя. Верхнее днище обычно имеет шаровидную форму, тогда как последние два днища — плоские, в которых монтируют форсунки. При этом: компонент топлива, используемый для охлаждения камеры, поступа­ет в нижнюю полость головки, образуемую плоскими днищами, откуда через форсунки впрыскивается в камеру сгорания. Второй компонент топлива пода­ется прямо в верхнюю полость головки, образуемую шарообразным верхним и плоским средним днищами, а из нее затем поступает в камеру сгорания через сквозные трубки, пересекающие плоские днища головки и заканчивающиеся форсунками. Все три днища головки камеры связаны между собой. Верхнее днище связывается со средним плоским днищем косынками различной формы, а для связи плоских днищ можно использовать точечные выштамповки или развальцовку корпуса форсунок. Так как число форсунок обычно бывает весь­ма большим (измеряется сотнями), то последний способ связи между собой оболочек практически оказывается также достаточно надежным.

Конструктивное оформление головки в основном зависит от вы­бранной формы камеры сгорания, ее диаметра, вида компонентов топлива, а также от того, какой компонент топлива используется для охлаждения камеры. Плоские головки применяются в камерах двигателей малых и средних тяг. Они наиболее удобны для цилиндрических камер сгорания благодаря конструктив­ной простоте и удобству расположения на них струйных и центробежных фор­сунок горючего и окислителя. Плоские головки в сочетании с цилиндрической камерой сгорания обеспечивают хорошую однородность поля скоростей и кон­центрацию компонентов топлива по поперечному сечению камеры.

Рис.34