Жидкостные ракетные двигатели Волков Е.Б. Головков Л.Г. Сырицын Т.А., страница 11

Величина р не поддается расчету и должна определяться экспериментально. Согласно теории вероятностей функция м(0) представляет собой плотность распределения величины Л Произведение аа(0)оа0 есть относительное количество (т. с. аГаа доля) капель — размером от 0 до 0+е(0. Лбсолютцое коааа личество капель аап этого размера равно пеае(0)г)0. Проинтегрировав выражение, стоящее в знаменателеуравнения (1.13), получим манн а 2 о г О)= вР не Рае а(!+В) (1.14) —;"* — аеа( —,' ) '(1 а- ™,") (1 — 05 ц ), анаа) Ь)ть — перепад давления на форсуике, кГ)м', а — коэффициент поверхностного натяжения, кГ)м; кГ еек' р и а) — плотность, †, , и динамическая вяз- кГ еек кость жидкости, м р„— плотность среды (газа), в которую производится впрыск; е = гн(! — к 1 — ча) — толщина пелены жидкости в выходном сечении сопла форсунки, м, (здесь ге — радиус сопла форсунки, м; у-- коэффициент живого сечения на срезе сопла форсунки), где Чтобы рассчитать по уравнению (1.14) количество капель различного размера 0, содержащихся в спектре распыла, необходимо знать численное значение параметра 8 и способ определения диаметра О, „„,, наибольшей капли спектра, Проведенные дополнительные исследования (18) показали, что для обычных центробежных форсунок параметр Р равен 0,19, а опытная величина 0„,„, лучше согласуется не с расчетным ее значением, определенным по соответствующей формуле Треща, а со значением, подсчитываемым по полу- эмпирическому критериальному уравнению: Таким образом, если известны геометрия форсункн (З~), режим ее работы (Лр,ь) и физические свойства распыливаемой жидкости и среды, то с помощью уравнений (1.15) н (!.!4) можно определить относительное количество капель любого размера от 0 до 0„есе, создаваемых форсункой на установившемся режиме работы.

Общее количество капель ьъ производимых форсупкой, в 1 сек можно подсчитать следуюнц~м образом. Объемный секундный расход жидкости через форсуцку Я,„ равен а, где бф — секундный расход жидкости; т — удельный вес жидкости. С другой стороны, Я равен объему всех капель и„, т. е. мяес — '0'геее (О) с(0. е (1.16) Подынтегральцос выражение записано так потому, что количество капель, диаметр которых заключен в диапазоне от 0 до О+с!О, равно пер(0)е10, а объем одной такой капли составляет — 0'. 6 Подставляя в соотношение (1.16) значение функции у(0), после интегрирования получим Оф . с)кеес ре )е з+ ре~ ( — 6)1 е ! е ег где Ег'(- — р) = ) —, — интегральная экспонента (табличная функция). Отсюда (1.17) 60фе е (1+ 6) 0з,„,р' ( + 6Ее( — Р)] Заметим, что число пе очень велико.

Например, при распылпванин этилового спирта центробежной форсункой с раз. мерами г,=!,6 мж, г„=1 мм, И„=4 .им; при перепаде дав. г лени я Лре = 6 атж и расходе Оф = 50 — (4~ = 0,42; е = сек =381 мк; 0„„я, =259 мк) величина лр равна 2 65 ° 10'е шт /сек. Анализ формул (1.!4) и (1.!5) показывает, что тонкость распыла наиболее существенно зависит от перепада давле- 53 ния на форсунке и вязкости жидкости. С увеличением Арф размеры капель уменьшаются приблизительно пропорцио! нально —,, т. е. вначале быстро, а затем более мед)у ь~~ лепно.

Прн одинаковом перепаде давления распыливание более вязкой жидкости более грубое. С увсличенпем плотности среды размеры капель уменьшаются незначительно. форма и размеры факела распыла характеризуют широту охвата объема камеры сгорания распыленной жидкостью и глубину проникновения капель в газовую среду. Прн этом форма факела опредсляется в основном углом бс Рис. !.13.

Изменение расходонапряжснности по окружности факела распыле пеитробсжной форсунки с одним яходным каналом Рис. 1,1Я. Изменение растодонапркженности по радиусу факела распыла: о — струйная Фортунки; ив иентробемаой форсуакн распыла — плоским углом между касательными кконтуруфакела, сходящимися у сопла форсунки. Эти характеристики распыления также зависят от геометрии форсунок, режима их работы, физических свойств жидкости и среды и тесно связаны с тонкостью и однородностью распыла.

Стремление получить большой угол распыла путем увеличения геометрической характеристики форсунки А приводит к уменьшению коэффициента живого сечения ср (рис. И7), что означает уменьшение толщины пелены а и, следовательно, Лм,нс (более тонкий распыл). Прн этом уменьшается и дальнобойность факела распыла как из-за увеличения угла 2п, так и увеличения сопротивления среды, сильнее тормозящей более мелкие капли. Весьма важными характеристиками качества распыла являются также распределения капель по радиусу и окружности факела. Эти распределения обычно оценивают величиной расходопапряженвости, равной отношению расхода жидкости через плошадку, перпендикулярную оси форсунки, к размеру этой площадки.

54 В большинстве случаев распределептте капель в объеме факела распыла является неравномерным, и прежде всего по радиусу. На рис. !.!2 приведены эпюры расходо апряженяости по радиусу факелов распыла для двух расстояний 1, и 1а от сопла 11а>1г). Типичным для струйной форсупки !рис. !.!2,а) является распределение с одним максрмумом расходонапряжепности на оси факела, а длн центробежной форсунки 1рнс.

!.12, б) — с двумя максимумами на некотором удалении от оси. Такое распределение объясняется структурой факелов распыла у соответствующих форсунок. По мере удалюшя от сопла вследствие рассеивания факела неравномерность в расходонапряжеппости сглаживается, Если неравномерность в распределении по радиусу обусловлена принципиальнылти особенностялти способов распыления, то неравномерность распределения по окружности зависит главным образом от конструктивных особенностей форсунок и качества пх изготовления. Для центробежных форсунок, например, эта неравномерность зависит от числа входных каналов, от эксцентриситета между камерой закручивания и соплом, от чистоты обработки стенок сопла, состояния его выходной кромки и т.

д. На рис. !.!3 для примера приведено изменение бн — расходонапряженпости по окружности в факеле распыла центробежной форсункн с одним входным кана. лом. Неравномерность в распределении капель по объему факела распыла оказывает заметное влияние на макроперемешивание компонентов гоплива. Элементы смесеобразования При большом количестве форсу- в нок макроперемешивание компонентов Р 114 Рис. 1.14. К расчету на- топлива обеспечивается работой от раметрон стрланого аледельных групп форсунок, струи кото- мента счесеобразованнн рых непосредственно взаимодействуют между собой при впрыске жидкостей, Эти группы форсунок называются элементами смесеобразования, Такплт образолп любая головка представляет собой набор отдельных элементов смесеобразования. Основпыс элементы смссеобразовапия головок со струйными форсунками представлены на рис.

1.4. При столкновении струй, входящих н состав элемента, они дробятся на капли, образующие расходягцийся пучок. У элемента с двумя струями этот пучок движется в направлении результирующего вектора количества движения соударяющпхся струй 55 (рис. 1.!4). В предположении о полностью упругом соудзрснии струй ' угол г3 между этим направлением и осью камеры легко устанавливается из уравнения сохранения количества движегггия струй, записанного в проекции на вертикальную и горизонтальную оси: — п„,соь а,„+ — о, сов аг„=- — "— ' сгвсОь~; 0ак ...

0г 0ок + 0г,. о — о„з!и в,„— — тгг э!п а„= „' ов з!и Н. 0ак ° агг „Оггк + 0г Откуда 0окоок агн оо . — 0гт г аго аг (1.19) р = агсц„ 0акоок соа аок + 0гог сов аг ' где э — скорость движения жидкости; 0-- расход жидкости через форсунку. Если осн пучков будут параллельны оси камеры (й=О), то качество рабочего процесса в камере повысится. Очевидно, что это условие выполняется в том случае, когда 0„коа, ей и аак — О,п„з!и а, = О. (1.20) 1 арф во|у —— читываяя, что о= у —, 0=рс(ар ~„Ьр~, т» и полагая, что р„,=рг, равенство (!.20) можно записать в виде агнаок у Нг Хв 1ф.г (1.21) ьгн "г к гт «) арф. ак Поскольку диаметры отверстий форсунок (дг„п г(ав) н перепады давления на ннх (Лрф, и Лрф„,) обычно фиксированы заданными значениями расходов, то соотношение (1.21) позволяет определить углы наклона отверстий аг и оов, обеспечивагощие движсшис пучка капель вдоль оси камеры.

При этом, чтобы уменьшить отброс капель к головке, углы аг и в„, не должны превышать 25 — 30'. Если же угол между с~руями й=аг+аак задан (например, по конструктивным соображениям), то угол о„обеспечивающий условие р = О, определится зависимостью 1даг = (1.22) 1 токагф. г — + соа З А тгарф.ак где гг = —. — соотношение расходов компонентов топлива 0ок Ггг через элемент смесеобразования.

* Что равносильно пшотезе о сохраненвн колнчесгва двгокенггя снстемы до н после удара, 56 Рнс. 1.15. Паапмотсйстане конусов распила лаух сосочках пептробежпмх форсунок Формулы (1.!9), (1.21) и (1.22) являются приближенными, так как поперечное сечение струи окислителя обычно больше, чем у горючего, и, следовательно, часть струи окислителя пе отклоняется от первоначального направления. Чтобы улучшить дробление и макроперемешиванне компонентов топлива. двухструйные элементы смесеобразования иногда используют совместно с разбрызгивателями (рис. 1.4,б, в), которые устанавливают либо до встречи струй, либо после.