Устройство и типы камер сгорания

Геометрические размеры камер двигателей устанавливаются из условия обеспечения заданной тяги при возможно больших значениях удельной тяги, т.е. при возможно большем использовании энергии, содержащейся в топливе.

Объём камеры определяется по времени пребывания в камере топлива и газообразных продуктов – τ_пр.. оно должно быть достаточным для полного завершения процесса в камере сгорания.

Объём камеры сгорания определяется по формуле

где - весовой секундный расход газа;

R – газовая постоянная продуктов сгорания;

Т_о и Р_о температура и давление газов в камере.

Другим параметром, использующимся для определения объёма, является приведённая длина – L_пр. - , где F_кр – площадь критического сечения сопла.

Для окончательного определения размеров камеры необходимо кроме V_k знать диаметр камеры d_o или безразмерную площадь f_k = F_o/F_кр . Обычно принимают f_k ≥ 3. Ориентировочно диаметр камеры для азотно-кислотных двигателей определяется по зависимости d_o = (2,5…3)d_кр , а для спиртово-кислородных d_o = (2,5…2,5)d_кр .

Форма камеры сгорания может быть шарообразная (грушевидная, например, на двигателе «Фау-2»), цилиндрическая (на двигателях современных ракет-носителей) и коническая (практически не применяется).

Достоинства шарообразной камеры сгорания в том, что

1. при заданном объёме поверхность у неё наименьшая, что уменьшает вес камеры сгорания и облегчает охлаждение;

2. эти камеры сгорания более прочные по сравнению с цилиндрическими камерами.

Недостатки шарообразной камеры сгорания в том, что

1. она сложна в изготовлении;

2. имеет малую площадь для размещения форсунок и поэтому форсунки размещают в форкамерах, что усложняет технологию изготовления камеры сгорания.

Цилиндрические камеры сгорания удобны и просты в изготовлении. В них легко осуществляется процесс смесеобразования. Недостатки камеры сгорания в том, что прочностные свойства ниже, чем у шарообразной камеры и больше поверхность для охлаждения.

Коническая камеры сгорания представляет собой входную часть сопла и поэтому проста в изготовлении. Основным недостатком камеры является низкая удельная тяга, так как вследствие разгона продуктов сгорания по длине камеры и падения давления незавершается процесс горения.

Подготовка горючего и окислителя к сгоранию осуществляется в процессе смесеобразования: компоненты топлива распыляются, перемешиваются и частично испаряются. Для лучшего смесеобразования необходимо обеспечить:

1. тонкость распыла компонентов и хорошее их перемешивание (характеризуется диаметром капелек – 25…250 мк);

2. однородность концентрации топлива по поперечному сечению камеры (уменьшаются потери из-за физической неполноты сгорания);

3. равномерные скорости движения по поперечному сечению камеры сгорания, т.к. при больших скоростях горение неполное, а при малых скоростях не полностью используется объём камеры.

Выполнить эти условия можно подбором соответствующе головки камеры, типом форсунок и расположением их на головке.

В ЖРД применяются головки плоские, сферические с предкамерами и шатровые.

Плоские головки (рис. 10)применяют для цилиндрических или конических камер сгорания. Они имеют простую конструкцию и в сочетании с цилиндрическими камерами обеспечивают однородность поля скоростей и концентрации топлива по поперечному сечению. Их недостаток – малая прочность и жесткость. На плоских головках форсунки размещают 3 способами: шахматное расположение; концентричное и сотовое. Сотовое расположение обеспечивает лучший процесс смесеобразования, так как на одну форсунку горючего приходится 6 форсунок окислителя. Возможно сочетание концентричного расположения форсунок с шахматным и сотовым.

Сферические головки с предкамерами применяются для грушевидных или сферических камер сгорания («Фау-2», 8К52), т.е. для двигателей больших тяг. Форсунки у них находятся в предкамерах: в центре ставится форсунка «О» с большим числом отверстий, расположенных под различными углами к оси предкамеры, а форсунки «Г» размещаются на боковой поверхности предкамеры.

Шатровые головки сложны в изготовлении, и в них трудно организовать хорошее смесеобразование.

От типа форсунок и их конструкции зависит качество распыла. По принципу действия форсунки разделяются на две группы:

1. струйные форсунки (разновидность - щелевые);

2. центробежные форсунки - тангенциальные и шнековые (с завихрителями).

Форсунки могут быть однокомпонентными и двухкомпонентными.

Струйные форсунки рис.11 наиболее просты в изготовлении. Основные недостатки струйных форсунок в грубом распыле топлива, малом угле конуса распыла (≈10…15^о) и большой дальнобойности струи, увеличивающей зону распыла и удлиняющей камеру сгорания.

В центробежных форсунках создаётся искусственная закрутка компонента. В тангенциальной форсунке жидкость поступает через отверстие, ось которого перпендикулярна к оси форсунки, но не пересекается с ней. Центральная часть такой форсунки не заполнена жидкостью – в ней находится газовый вихрь, а жидкость расположена по переферии.

В шнековой форсунке закрутка осуществляется шнеком, имеющим на своей поверхности винтовые каналы.

Центробежные форсунки обеспечивают большой угол распыла (≈70…120^о) при небольшой длине факела распыла.

Двухкомпонентные форсунки позволяют улучшить смесеобразование, так как обеспечивают смешение компонентов в жидкой фазе, но они сложны в производстве, и применяются в том случае, когда недостаточно места для размещения.