Физическая картина процессов, происходящих в парогазогенераторе.

Рассмотрим общий случай, когда все три компонента жидкие.

Процесс превращения компонентов топлива (горючего Г и окислителя О) в газообразные продукты сгорания, смешение их с водой и образование парогазовой смеси в первом приближении можно разделить на четыре этапа:

— подготовительные процессы, включающие распыливание горючего форсункой и испарение капелек горючего в камере;

— турбулентное перемешивание окислителя и горючего и образование горючей смеси;

— химическая реакция соединения горючего и окислителя и образование продуктов сгорания;

— смешение продуктов сгорания с водой и образование парогазовой смеси заданной температуры.

Следует отметить, что продолжительность химических процессов в камере сгорания ПГГ мала по сравнению с продолжительностью физических процессов (испарение капель и смешение энергокомпонентов). Поэтому интенсивность горения в основном и зависит от указанных выше физических процессов, регулирование которых в ПГГ приобретает важное значение, особенно при форсировании двигателей. Камеру ПГГ условно можно разбить на две зоны: первая зона, или так называемая зона «сухого» горения, в которой сгорает топливо, и вторая, или так называемая зона смешения, в которой продукты сгорания топлива смешиваются с водой, впрыскиваемой в ПГГ. (Аналогом ПГГ можно считать двухзонные газогенераторы ракетных двигателей).

Для эффективного сгорания топлива в ПГГ должны быть обеспечены: правильное количественное соотношение горючего и окислителя и совершенное их смешение; тонкое и однородное распыливание топлива; устойчивое воспламенение распыленного топлива.

Горение в быстродвижущихся средах, характерное для ПГГ, обусловливает очень малую его продолжительность. Поэтому для эффективного сгорания топлива в этих условиях требуется: во-первых, хорошее перемешивание частиц горючего с окислителем, во-вторых, создание условий, обеспечивающих устойчивость фронта пламени, т. е. непрерывное зажигание.

Одним из основных факторов, определяющих эффективность сгорания топлива в ПГГ, является качество распыливания горючего.

Скорость горения капли определяется в основном скоростью испарения. Поэтому важно, чтобы отношение площади поверхности капли к ее объему было возможно большим. А так как это отношение для сферической капли обратно пропорционально ее радиусу, то следует стремиться к наилучшему распыливанию горючего. При этом, однако, следует иметь в виду, что в соответствии с особенностями организации процесса горения потребная степень распыливания и связанные с этим дальнобойность и угол распыливания могут быть различными. При грубом распыливании увеличивается дальнобойность струи. Увеличение дальнобойности и угла распыливания приводят к тому, что значительная часть горючего попадает на холодные стенки камеры сгорания ПГГ, где он, не сгорая полностью, стекает вниз в зону смешения и там, поджигаясь от языков пламени, проскакивающих из верхней зоны или от сильно нагретых стенок нижней части ПГГ, вызывает вибрационное горение. Нагароотложение в этом случае также возрастет.

С другой стороны, чрезвычайно тонкое распыливание может также снизить полноту сгорания. Связано это с тем, что при этом ухудшается дальнобойность струи, равномерность распределения капель по объему, смешение компонентов и др. Для того, чтобы при прочих равных условиях достичь нужного распыливания, на струю вытекающего из форсунки горючего накладывают дополнительные возмущения за счет завихряющих устройств, создающих закрутку в выходном сечении потока.

В турбулентном потоке происходит более энергичное перемешивание компонентов, а следовательно, и более полное горение. То же относится и к подаче компонентов в газовой фазе.

Для обеспечения полного и устойчивого сгорания, кроме хорошего перемешивания распыленного форсункой горючего с окислителем, необходимо создать условия для стабилизации фронта пламени.

Стабильное положение фронта пламени зависит от скорости его распространения, а также от скорости потока. Фронт пламени будет неподвижным, если скорость потока равна скорости распространения пламени в нем. При других соотношениях этих скоростей пламя будет перемещаться относительно потока либо по его направлению, либо против него.

Значительное увеличение расходов энергокомпонентов при форсировании двигателей (увеличении расхода Г и О) может привести к такому увеличению скорости потока, что произойдет обрыв горения или начнется вибрационное горение.

В начальный период работы ПГГ воспламенение горючей смеси производится с помощью зажигательного приспособления. Этот период характерен нарастанием температуры в камере сгорания от 15–20°С до температуры горения. Состав продуктов сгорания, непрерывно изменяясь, будет существенно отличаться от конечного состава рабочей смеси. Длительность начального периода горения может составлять десятки секунд,причем большую часть этого времени процесс идет при совместном горении зажигательного патрона и топлива. Для торпед необходимо максимально сократить время выхода на режим. Это требует решения ряда проблем, таких как эффективное охлаждение камеры ПГГ на переходном режиме, борьба с забросом давления, обеспечение устойчивости горения и др.

Подвод воды в ПГГ осуществляется таким образом, чтобы до попадания в зону смешения она подогревалась до температуры порядка 80–100° С. Это позволяет уменьшить осевые размеры испарительной камеры. Нагрев воды целесообразно осуществлять в межрубашечном пространстве камеры сгорания (КС) ПГГ. Т.о. увеличивается тепловой кпд в результате снижения потерь тепла в ОС. С другой стороны, при таком способе охлаждения требуется водоподготовка (как минимум – фильтрация воды на входе), что усложняет конструкцию и увеличивает перепад давления по тракту, а, значит, и потребную мощность насоса воды.

Важен правильный выбор места подачи воды в испарительную камеру. Подача воды в сечение, где располагается факел, может нарушить нормальный процесс сгорания, не давая ему завершиться в зоне горения. Важное значение имеет и то обстоятельство, каким образом производить подачу воды. Если подаваемая вода не образует сплошной завесы, то в свободное от воды пространство могут прорываться несгоревшие частицы горючего, неиспользованный кислород, продукты неполного сгорания и за этой областью может происходить неустойчивое догорание.

Хотя реальный процесс сгорания топлива и образования парогазовой смеси значительно сложнее изложенной схемы, следует ожидать, что независимо от того, каков род топлива, горючего или окислителя, физическая картина процессов, происходящих в ПГГ, будет примерно одинакова.

Охлаждение стенок парогазогенератора может быть внутренним (пленочным), внешним (жидкостью, протекающей в межрубашечном пространстве стенок камеры) или комбинированным. Расчет охлаждения проводится по обычным методикам, разработанным для ракетных двигателей. [5.]

В некоторый объем камеры (рис. 7), который условно назовем камерой сгорания, через специальные распылительные устройства поступает топливо – горючее и окислитель, в результате химического взаимодействия между которыми происходит преобразование исходной химической энергии в тепловую.

Процесс в КС организован таким образом, что к некоторому условному сечению "АА", все элементарные процессы завершаются и термодинамические характеристики продуктов сгорания предельно близки их теоретическим значениям, соответствующих начальным характеристикам топлива и условиям его сгорания.

За зоной горения в продукты сгорания вводится вода в количестве, необходимом для получения на выходе из камеры двигателя рабочего тела с требуемыми физико-химическими характеристиками. Вода вводится через ряд тангенциальных отверстий, расположенных на боковой поверхности КС. В этом случае на начальном участке испарительной камеры обеспечивается надежная защита ее стенок от интенсивных тепловых потоков за счет пленки жидкости. На поверхности раздела продуктов сгорания и жидкой пленки, движущихся двумя параллельными потоками, интенсивно развиваются процессы тепломассообмена, приводящие с одной стороны к прогреву и испарению жидкой пленки, а с другой к снижению температуры газовой фазы (участок 1). На кольце сброса, расположение которого определяется конкретными характеристиками топлива и конструктивными условиями, например, требование снижение температуры газовой фазы до значений, допускающих ее контакт с материалом стенки испарительной камеры, жидкая пленка «сбрасывается» внутрь потока, где происходит ее аэродинамическое дробление.

Частицы воды, образовавшиеся в результате дробления, характеризуются размером dS, и массовой долей dz,. На участке 2 рабочее тело имеет газокапельную структуру, в нем протекают процессы тепломассообмена, приводящее к испарению капель воды. Размер образующихся при этом частиц воды определяется двумя факторами. Во -первых, механическим разрушением пелены на зубцах кольца сброса, и во - вторых, аэродинамическим дроблением жидкой пленки газовым потоком. Так как основной функцией кольца сброса является гашение вращательного движения, то можно считать, что основным механизмом разрушения пленки и образования частиц является аэродинамический.

В сужающейся части канала испарительной камеры (участок 3) на его стенке вновь образуется жидкая пленка вследствие большой инерционности частиц и сохранения ими прямолинейной траектории движения.

В минимальном сечении канала имеет место повторное аэродинамическое дробление жидкости по аналогии с пневматической форсункой. Однако, размеры образующихся при этом частиц значительно меньше, чем на кольце сброса, так как скорость газового потока близка или равна звуковой.

За минимальным сечением структура рабочего тела – вновь газокапельная (участок 4), такая же, как и на участке 2.

При расчетах ПГГ вводятся упрощающие допущения, перечень которых продиктован, во-первых, полнотой знаний о процессах, протекающих в камере, а во-вторых – потребной точностью практических расчетов.

Такими допущениями являются:

– процессы в камере стационарны, одномерны, взаимодействием рабочего тела со стенками канала пренебрегаем;

– химическое взаимодействие между компонентами рабочего тела отсутствует;

– свойства переноса определяются по аддитивности с учетом массовых долей продуктов сгорания и испарившейся воды. Это допущение вводится, поскольку из энергетических соображений соотношение между основными компонентами топлива в камере сгорания выбирается стехиометрическим или близким к нему. Это означает, что в продуктах сгорания, в основном, будут присутствовать продукты полного окисления, химическая активность которых по отношению к парам воды относительно невелика;

– распределение частиц жидкости по сечению камеры равномерно;

– объем, занимаемый частицами воды мал по сравнению с объемом газа. Это позволяет рассматривать движение каждой частицы в невозмущенном гидродинамическом поле. (Условие реально выполнимо случае, если объемная доля частиц не превышает 2%. Тогда из всех сил, действующих на частицу во время ее движения, в рассмотрении останется лишь сила вязкого сопротивления);

– форма частиц, как почти во всех исследованиях, принимается сферической, а эффект деформации частиц под действием аэродинамических сил, что наиболее существенно скажется на коэффициенте сопротивления не учитывается;

– процессы прогрева и испарения воды рассчитываются по изотермической модели, что предполагает постоянство температуры по объему частиц;

– коагуляция между частицами каждого сорта отсутствует.