4.2. Горение жидких топлив

С момента впрыска в камеру до полного преобразования в конечные продукты сгорания компоненты проходят путь сложных превращений. Рабочий процесс в камере должен обеспечить максимальную полноту сгорания с устойчивым протеканием всех физико-химических явлений.

Превращение топлива в продукты сгорания происходит постепенно. В результате распыла и дробления на форсунках компоненты образуют капли разных размеров. Из зоны горения поступает теплота. Капли нагреваются и испаряются, газообразное горючее и окислитель смешиваются и происходят экзотермические газофазные реакции горения. Если компоненты самовоспламеняются, то реакции горения начинаются уже при смешивании компонентов в жидкой фазе.

Промежуток времени от момента впрыска до полного преобразования топлива в продукты сгорания называется временем преобразования и является важной характеристикой ЖРД. Вся совокупность параллельно-последовательных физико-химических превращений топлива в ЖРД показана на рис. 4.1.

Характерным для ЖРД является отсутствие фронтовых стабилизирующих устройств (именно они обеспечивают устойчивость горения в камерах ВРД). Смесеобразование, воспламенение и стационарное горение в ЖРД происходит ввиду низких скоростей движения среды в зоне горения и переноса теплоты обратными потоками возле смесительной головки. Поэтому отсутствуют специальные устройства стабилизации пламени, в ЖРД циркуляция продуктов горения в зону подготовки топлива есть естественная стабилизация пламени.

Горение является гомогенным при химической неоднородности и существенной турбулентности в соответствии с процессом смесеобразования. Крупные капли могут сгорать по модели гетерогенного сгорания. Зона горения имеет большую протяженность ввиду действия крупномасштабной турбулентности и местных разрывов фронта пламени, но на расстоянии десятков миллиметров от головки можно выделить условный фронт пламени малой толщины, в котором и выделяется основная часть теплоты.

Существуют математические модели горения топлив в камере, но сложность протекания процесса требует привлечения экспериментальных данных. Объём камеры разделяют на зоны, как показано на рис. 4.2. Зона смесеобразования (ввод, распыление и предварительное смешение компонентов), прилегающая к смесительной головке, вообще недоступна математическому описанию. В сечении «О-О» рабочее тело (продукты сгорания) имеет параметры, близкие к параметрам заторможенного газа.