Автореферат (Углеводородное горючее на основе керосина с присадками для повышения энергетической эффективности ЖРД), страница 3

Момент сил трениявызывает уменьшение момента количества движения, который на входе в сопло становитсяменьше, чем на входе в камеру закручивания. При этом уменьшается радиус воздушноговихря, возрастает коэффициент расхода и убывает угол факела распыла. Таким образом, вцентробежной форсунке в результате трения о стенки камеры закручивания расходреальной вязкой жидкости больше, чем идеальной.Однако, для форсунки №1 с диаметром сопла 0,5 мм.

наблюдается обратная картина.Рисунок 4. Расходная характеристика форсунки №1.12Снижение коэффициента расхода в форсунке №1 при увеличении вязкости за счетполимера можно объяснить большой степенью закрытия форсунки. Суммарная площадьпроходных каналов навивки завихрителя более чем в 3 раза превышает площадь соплафорсунки. Таким образом, при увеличении вязкости раствора, перепад давлениясрабатывается не на тангенциальных каналах завихрителя, а в сопле. Отсюда следует, чтовся камера закручивания была заполнена жидкостью, газовый вихрь и закруткаотсутствовали.

С увеличением вязкости (концентрации полимера) и уменьшением диаметрасопла форсунки вязкостное трение возрастает настолько, что начинают смыкатьсяпограничные слои. Течение особо вязкой жидкости в центробежной форсунке с большойстепенью закрытия уже не подчиняется законам циркуляции, принятым для расчетацентробежных форсунок. Дальнейшее уменьшение диаметра сопла (или увеличениевязкости жидкости) снижает коэффициент расхода, как это происходило бы при струйномтечении.Влияние добавки на полноту сгорания топливаДействующий огневой испытательный стенд на кафедре «Ракетные двигатели»факультета «Двигатели летательных аппаратов» МАИ предназначен для испытанийжидкостных ракетных двигателей малых тяг. На стенде организована вытеснительнаясистема подачи компонентов.

Используются только экологически чистые топливные пары,такие как: О2(газ)+Керосин, О2(газ)+Метан(газ), ВПВ(ж)+Керосин. В системе подачи какдля горючего, так и для окислителя предусмотрены отдельные магистрали для организациизавесного охлаждения камеры сгорания.Для оценки степени влияния добавки полиизобутилена к керосину на полнотусгораниятопливабылразработандвигательДМТМАИ-200-7ОКнанесамовоспламеняющихся компонентах газообразный кислород и керосин (Рисунок 5).Двигатель собран по технологии пайки. Блок из четырех спаянных пластин,горючего, окислителя, верхней распределительной пластины и крышки – помещается вкорпус-фланец, где места соединения свариваются аргонодуговой сваркой. В головкеимеется шесть двухкомпонентных центробежных форсунок с внутренней ступеньюгорючего и внешней открытой ступенью окислителя (Рисунок 6).

Компоненты поступают вфорсунки по фрезерованным тангенциальным каналам в пластинах О и Г. Длявоспламенения смеси предусмотрена форкамера (8) в центральной части смесительнойголовки, куда, аналогично форсункам, тангенциально подаются окислитель и горючее.Зажигание происходит за счет электрического разряда в свече, расположенной в открытой13части форкамеры. Расход горючего в центральную часть для воспламенения регулируетсясъемной втулкой с заданными диаметрами входных отверстий.Рисунок 5.

Вид модели смесительной головки. 1 – штуцер подвода окислителя; 2 –крышка головки; 3 – распределительная пластина; 4 – пластина горючего; 5 – штуцерподвода горючего; 6 – свеча зажигания; 7 – штуцер подвода компонента в завесу; 8 –форкамера; 9 – пластина окислителя; 10 – корпус-фланец.Рисунок 6. Конструкция двухкомпонентной форсунки.Особенностью конструкции данной смесительной головки является отдельныйштуцер подачи компонента для завесного охлаждения камеры сгорания. Это даетвозможность не только регулировать расход в завесу вне зависимости от расходов вцентральную часть, но и использовать любой компонент в качестве охладителя внутреннейстенки КС.Через коллектора в распределительной пластине горючее и окислитель поступают вподводящие полости соответствующих пластин (Рисунок 5).

Так, с помощью шестиотдельных отверстий в распределительной пластине осуществляется подвод компонентов14непосредственно к каждой форсунке, обеспечивая тем самым равномерное распределениекомпонентов.Для равномерного распределения компонента, подаваемого в завесу, в пластине Отакже имеются пазы, выполненные таким образом, чтоб при выходе компонента изколлектора завесы он равномерно распределялся по всему диаметру смесительной головкиСборка двигателя представлены на Рисунке 7 .Рисунок 7.

Сборка двигателя.Огневые эксперименты проводились на камере сгорания с подрезанной сопловойчастью. Такая методика проведения испытания позволяет проверить работоспособностьсамой камеры сгорания при длительных работах без использования дорогостоящеговакуумного оборудования.В процессе экспериментов определялся расходный комплекс βs=f(Pk,m∑,km)двигателя ДМТ МАИ-200-7ОК с использованием в качестве горючего стандартногокеросина - обр. №1; и керосина с присадкой полиизобутилена, - обр.№3 (концентрацияполимера 0,05%).

Основными измеряемыми величинами являлись: установившеесядавление в камере сгорания и расходы окислителя и горючего. Чтобы избежать прогаракамеры и сохранить материальную часть, все огневые эксперименты проводились навосстановительном режиме, с использованием керосиновой завесы.На Рисунке 8 представлена зависимость расходного комплекса β от коэффициентаизбытка окислителя αΣ. Полнотасгорания керосина с ПИБ незначительно выше,чем на чистом керосине (Рисунок 9).

Это несмотря на то, что двигатель работал вгазогенераторном режиме, с заведомо очень низкими альфа (α ≈ 0,2). Кроме того, завесабыла восстановительная, т.е. внутреннее охлаждение осуществлялось также керосином, гдераспыла, как такового, не было.15Рисунок 8. Зависимость расходного комплекса β от α Ʃ.Рисунок 9. Зависимость φβ от αƩ.При сравнениив первом приближении можно сказать, что полнота сгоранияотличается менее чем на 0,5 %, что соответствует погрешности измерений приборов.Приоценкетепловогосостояниядвигателябылозамеченоследующее.Использование керосина с присадкой ПИБ снижает градиент температуры в случаеиспользования керосиновой завесы. Стенка камеры прогревается дольше, чем прииспользовании чистого керосина.

На Рисунке 10 представлены показания термопар для двухзапусков с разными горючими, на чистом керосине и керосине с ПИБ. Режимы полностьюидентичны, расходы керосина в форсунки и в завесу различаются менее чем на 1 г/с.Давления в камере сгорания практически одинаковы. Относительный расход в завесу для16керосина с добавкой был меньше, чем при запуске на чистом керосине, но незначительно.Однако, градиенты температур оказались меньшими при использовании керосина с ПИБ.Рисунок 10. Показания термопар, установленных на внешней стенке КС длязапусков на чистом керосине и керосине с ПИБ.Проведенныеранееисследованияпоказали,чтоповышение концентрациифактических смол свыше норм ТУ 38.001244-81 приводит к ухудшению конвективноготеплообмена и снижению удельных тепловых потоков.

Это объясняется тем, чтомодифицированное горючее обладает более низким коэффициентом теплопроводности посравнению с чистым керосином.Механизм распространения тепла в жидкостях можно представить как переносэнергии путем нестройных упругих колебаний. Такое теоретическое представление омеханизме передачи тепла в жидкостях, выдвинутое А.С. Предводителевым, былоиспользовано Н.Б. Варгафтиком для описания опытных данных по теплопроводностиразличных жидкостей. Для большинства жидкостей теория нашла хорошее подтверждение.Наоснованииэтойтеориибылаполученаформуладлякоэффициентатеплопроводности, имеющая следующий вид:(1)где ср – теплоёмкость жидкости при постоянном давлении;ρ – плотность жидкости;μ – молекулярная масса.Коэффициент А, пропорциональный скорости распространения упругих волн вжидкости, не зависит от природы жидкости, но зависит от температуры; при этомпроизведение А*ср ≈ const.17Также известно,что повышение вязкости раствора жидкости влияетнаволнообразование.

Вязкость вызывает затухание амплитуды колебаний по закону:(2)где Ак - амплитуда колебаний;А0 - начальная амплитуда;ν - кинематическая вязкость;а - волновое число;t - время затухания.Таким образом, можно предположить, что содержание полимера в керосинеуменьшает скорость распространения упругих волн в жидкости, что, в свою очередь,приводит к снижению турбулентных пульсаций, тем самым уменьшается тепловой поток встенку КС. По мере продвижения керосина по стенке, градиенты температур начинаютвыравниваться. Это происходит из-за деструкции полимера и приближении его свойств кобычному керосину.Уменьшение теплопроводности керосина с добавкой ПИБ также можно объяснитьиз анализа формулы (1).

При добавлении высокомолекулярного полимера изменяетсямолекулярная масса всего горючего, что приводит к уменьшению коэффициентатеплопроводности.ВчетвертойсамовоспламеняющегосяглаветопливаприводятсяВПВирезультатыкеросинсисследованияпирофорныминовогодобавкамитриэтилалюминия и триэтилбора. Представлены данные по задержке воспламенения, атакже границе надежного воспламенения в зависимости от концентрации добавки вкеросине и его температуры. Проведен ряд расчетов с использованием программногокомплекса «АСТРА М» по определению изменения удельного импульса и составапродуктов сгорания.Одним из важных свойств ракетного топлива является воспламеняемость приконтакте окислителя и горючего, что особенно важно при импульсном режиме работы ЖРДМТ. Однако все экологически чистые топлива не являются самовоспламеняющимися.Пусковое горючее (ПГ), используемое в двигателях РД-170, РД-180, РД-191, РД58 идр.