Инжекционные органы управления

 

К инжекционным органам управления относятся системы, использующие вдув газа или впрыск жидкости в сверхзвуковую часть сопла (рис. 8.8… 8.10).

Преимуществом таких систем являются: высокая эффективность, автономность конструкции и отработки, упрощение конструкции двигателя и повышение его надежности путем применения стационарных сопел.

С точки зрения массового совершенства наиболее предпочтительной выглядит система, использующая вдув горячего газа, отобранного из камеры сгорания, в расширяющуюся часть сопла. Однако при этом возникает целый ряд технических трудностей, связанных с созданием надежных регуляторов расхода высокотемпературных, химически активных продуктов сгорания. С точки зрения простоты конструкции и обеспечения высокой надежности эффективно применение в качестве рабочего тела жидкости. Её легче хранить, дозировать, а ее высокая плотность дает возможность уменьшить массу конструкции.

Расчет основных характеристик инжекционных ОУ сводится к определению величины упругости газа либо к расчету расхода инжектанта, потребного для обеспечения заданного уровня управляющей силы.

При проектировании инжекционных ОУ ГРД следует учитывать следующие практические моменты.

1. Для получения максимального отношения управляющей силы к тяге двигателя место инжекции должно располагаться в сечении, площадь которого составляет (0,75…0,8) .

2.  Увеличение числа Маха инжектируемого газа способствует увеличению импульса управляющей силы.

3. Уменьшение молекулярной массы инжектируемого газа способствует увеличению удельного импульса управляющей силы.

4. Увеличение угла инжекции e приводит, с одной стороны, к возрастанию управляющей силы, в частности, из-за увеличения площади отрыва; с другой стороны R_у может уменьшиться из-за уменьшения количества движения в направлении, перпендикулярном оси сопла. Это говорит о существовании определенного оптимума e, который должен определяться в каждом конкретном случае.

5. Величина управляющей силы зависит от формы отверстия вдува газа. Применение вытянутых в окружном направлении щелей способствует увеличению R_у.

 

Рис. 8.8

 

Рис. 8.9.

 

Рис. 8.10.

 

В конструктивном плане инжекционные ОУ в зависимости от вида инжектируемого вещества выполняются по структурным схемам, примеры которых даны на рис. 8.8 …8.10. На рис. 8.8 показана система вдува горячего газа с газоходной системой (поз 2) подачи газа из камеры сгорания (поз.1) в регулятор расхода (поз. 3), установленный на сопле. На рис. 8.9 показана система вдува «теплого» газа от специального газогенератора (поз.3), размещенного в задней крышке корпуса (поз. 4) совместно с основным зарядом (поз. 1). Газ из газогенератора поступает в регулятор расхода (поз. 5). Для исключения заброса давления газа в газогенераторе в крышке газогенератора выполнены дренажные окна (поз. 2). С точки зрения повышения эффективности ИОУ необходимо горячий газ без газохода сразу подать в регулятор расхода и далее в сверхзвуковую часть сопла. В этом случае условия работы регуляторов значительно ужесточаются, поскольку его рабочие органы подвергаются воздействию высокотемпературных, химически активных продуктов сгорания ГРД. Кроме того, при наличии твердой фазы в продуктах сгорания возможна зашлаковка отверстий в регуляторе. В настоящее время проблема создания надежных регуляторов расхода горячего газа в основном решена в связи с разработкой жаропрочных и эрозионностойких материалов, таких как углерод – керамические материалы, сплавы вольфрама. При использовании системы вдува «теплого» газа от специального газогенератора требования к регуляторам расхода по характеристикам используемых материалов снижаются (по сравнению с регуляторами расхода горячего газа), а по конструктивному исполнению практически остаются такими же.

На рис. 8.10 показана система впрыска жидкости в закритическую часть сопла, в которой используется вытеснительная система подачи с баллоном сжатого газа (поз. 1) и баком с жидкостью (поз. 2). Жидкость подается в регулятор расхода (поз. 3), обычно имеющий несколько отверстий для впрыска жидкости. Эффективность системы впрыска даже с использованием жидкостей типа фреон-114В, хлорноватистая кислота почти в 2 раза ниже, чем при вдуве горячего газа, что связано с отсутствием в таких ИОУ составляющей управляющей силы, обусловленной импульсом инжектируемого потока.

Глава 9. КАМЕРА ДОЖИГАНИЯ

 

Гибридный двигатель может иметь камеру дожигания, которая располагается вслед за зарядом твердого компонента, из каналов которого в камеру дожигания истекает газовая смесь. Эта смесь может содержать продукты сгорания, продукты деструкции горючего и окислитель. Средний состав этой смеси меняется во время выгорания заряда из-за изменения поверхности горения и проходного сечения каналов и может иметь как избыток, так и недостаток окислителя. Специфика горения гибридных топлив приводит к формированию на выходе из каналов профилей концентраций компонентов смеси. Камера дожигания предназначена для перемешивания истекающей смеси и догорания непрореагировавших компонентов, то есть – для увеличения полноты сгорания топлива. Кроме того, в камеру дожигания может подаваться дополнительный регулируемый расход окислителя, за счет чего соотношение компонентов можно приблизить к оптимальному.

 

Рис. 9.1.

 

Конструктивно камера дожигания обычно представляет собой некоторый объем, расположенный между зарядом и соплом (в некоторых случаях камерой дожигания служит сам предсопловой объем). Вариант схемы приведен на рис. 9.1. Принципиальным является то, что в объем камеры дожигания со стороны заряда втекают струи газовой смеси. Форма, расположение и количество этих струй зависит от выбранной формы заряда. Проходное сечение, расход и состав газовой смеси этих струй на входе в камеру дожигания меняются в процессе работы и определяются процессами в камере сгорания (гл. 3, 4). Если конструкция двигателя предусматривает подачу дополнительного расхода окислителя, то в камеру дожигания будут втекать струи (или может быть кольцевая струя) окислителя, форма входных отверстий которых известна, а расход должен меняться по заданному закону.

Процессы тепло- и массообмена в камере дожигания определяются сложным трехмерным турбулентным течением с областями отрыва и рециркуляционного течения многокомпонентной реагирующей смеси газов. Движение и взаимодействие газов в этой области описывается полной системой осредненных уравнений Навье-Стокса (уравнения Рейнольдса). Численное решение подобной задачи в настоящее время возможно, но до сих пор представляет значительные трудности. На стадии проектирования подобных устройств необходимы относительно простые приближенные методы расчета, позволяющие быстро оценить влияние конкретных конструктивных решений на качество смешения и полноту сгорания топлива.

Эти методы основываются на упрощенных моделях турбулентных течений и тепломассобмена, а также на обобщениях экспериментальных результатов.

Следует отметить, что проведение экспериментальных исследований структуры течения в камере дожигания, работающей на натурных компонентах, представляет определенные трудности из-за высокой температуры и агрессивности исследуемой среды. Поэтому исследования отдельных процессов проводятся в различных модельных условиях. Например, исследование течения и смешения струй проводится в квазиизотермических условиях, а полученные закономерности переносятся затем на неизотермические условия – путем введения переменной плотности.