Диссертация (Углеводородное горючее на основе керосина с присадками для повышения энергетической эффективности ЖРД), страница 10

Управление фотоаппаратами 7-1О осуществляется через USBразветвитель 13 компьютером 14. Возможен и ручной режим управленияфотоаппаратами. Также через USB разветвитель 13 в компьютер 14 поступаетинформация, зарегистрированная этими фотоаппаратами, где по специальнымпрограммам она и обрабатывается.Для обработки полученных изображений капель и расчета параметровдисперсности аэрозольного облака используется программа, разработанная вМАИ на кафедре 201 и реализованная на базе пакета MATLAB.Лазерная установка монтируется на двух регулируемых по высоте столах,расположенных по разные стороны от каплеуловителя. Оси сканирующего лучапопадают в отверстия каплеуловителя.3.1.3 Методика проведения испытаний и результаты измеренийДля исследования влияния полимерной добавки на тонкость распылакеросина было выбрано 3 центробежных форсунки с разной геометрическойхарактеристикой.

Общий вид форсунки показан на Рисунке 10, геометрическиеразмеры приведены в Таблице 9.Рисунок 10. Общий вид форсунки. 1 - сопло; 2 - завихритель.56Таблица 9. Геометрические параметры форсунок.ДиаметрДиаметрЧислоГеометрическаясопла d, ммкамерыканаловхарактеристика,закручиваниязавихрителя,Аdкз, ммn№10,5320,9№20,7321,27№31,5341,37Мелкость распыла оценивалась в зависимости от следующих факторовd32=f(A,C%,Δp), где - A - геометрическая характеристика; C% - концентрациядобавки ПИБ в керосине; Δp - перепад давления на форсунке. Для оценкитонкости распыления используется диаметр Заутера d32 - диаметр такойтеоретическойкапли,котораяобладаеттакимжесоотношениемобъем/поверхность, как общий объем всех капель к их суммарной поверхности.Исследование проводилось с использованием двух критериев подобия:(9)(10)где(11) - толщина жидкой пелены,u - относительная осевая скорость истечения жидкости из форсунки;- плотность газа окружающей среды;rс - радиус сопла форсунки;- коэффициент динамической вязкости газа;α - угол распыла форсунки;σ - коэффициент поверхностного натяжения;(12) - коэффициент расхода,Δpж - перепад давления на форсунке;57- массовый расход жидкости.Эти критерии позволяют определить медианный и максимальный размерыкапельипараметрыфункциираспределения(поРозин-Рамлеру)[57].Построенные на основе этого закона формулы являются довольно простыми ипозволяют быстро вычислить средний размер капли в струе.Пгде(13)П- медианный диаметр капели.Однако, формула (13) имеет границы применимости [57].Эксперимент проводился для различных значений скорости жидкости.Регистрировались следующие газодинамические параметры: Q - расход Δpж перепад давления на форсунке, Тг - температура окружающего газа, ρг - плотностьокружающего газа.

Фотографированием определялся угол распыла. Лазернооптическим методом определялся средний размер капель d32. Далее по формулам(8-11) определялись критерии подобия П1 и П2.Результаты измерений распыла образцов керосина и расчеты для каждойфорсунки представлены в Таблицах 10-Таблица 12.Таблица 10. Результаты распыла форсункой №1.Расход Перепад, г/сОбр. №2Диаметрдавления распыла, Заутера,Δpж, атмОбр.

№1Уголαd32Коэф.Коэф.П1*103расхода расходатеор.эксп.ψтеорψэкспП2,1,9230-0,350,52989,5 7,722,603,8935250,350,52118 7,483,155,7145150,350,52140 7,323,657,6545150,350,52161 7,244,119,745130,350,52181 7,240,822,8струя-0,350,193--1,0964,8струя-0,350,197--58Обр.

№31,7911,2струя-0,350,2--0,543,2струя-0,350,12--0,895,7струя-0,350,14--1,2513,2струя-0,350,136--Коэф.П1П2,Обр. №4 Нет расхода-Таблица 11. Результаты распыла форсункой №2.Расход Перепадq, г/сОбр. №2Обр. №3Обр. №4Диаметрдавления распыла, Заутера,Δpж, атмОбр. №1Уголαd32Коэф.*103расхода расходатеор.эксп.ψтеорψэксп2,42,645-0,380,29465,62,863,8550400,380,29545,43,45,6575300,380,288615,23,827,275300,380,286685,164,429,675300,380,287795,182,872,96струя-0,380,335--3,575,6струя-0,380,303--5,211,825340,380,3041055,83,252,94струя-0,380,381--4,224,9струя-0,380,383--5,48,86струя-0,380,365--6,412,810-0,380,36--7,843,45струя-0,380,849--11,175,3струя-0,380,97--14,929,1струя-0,380,9--59Таблица 12. Результаты распыла форсункой №3.Расход Перепадq, г/сОбр.

№2Обр. №3Обр. №4Диаметрдавления распыла, Заутера,Δpж, атмОбр. №1Уголαd32Коэф.Коэф.П1*103расхода расходатеор.эксп.ψтеорψэкспП2,6,41,8860-0,40,204397,98,73,4275380,40,206537,910,154,485320,40,21263814,17,6585320,40,22938,56,452,535,4-0,40,179357,058,734,5665,7-0,40,179466,911,58,270,8400,40,176606,87,843,4522-0,40,185--10,935,324-0,40,208--14,949,146480,40,217998,57,0732,4струя-0,40,2--11,044,64струя-0,40,224--14,617,618-0,40,23--16,3610,323-0,40,223--В результате анализа полученных критериев подобия П1 и П2 и сравненияэкспериментальных и расчетных значений среднего размера капельможносделать вывод, что формула (13) работает только для форсунки №1 и чистогокеросина (образец №1).

В остальных случаях для исследуемых форсунокполученные критерии не удовлетворяют границам применимости и не могут бытьиспользованы для оценки мелкости распыла керосина с полимерной добавкой[57].Высокомолекулярные добавки в жидкости замедляют ее разрушение.Подавление дробления и распыления жидкости наблюдается в разных типахтечения, в том числе при течении низко- и высокоскоростных струй, свободных60пленок, при воздействии высокоскоростных аэродинамических потоков наобъемы жидкости [56]. В этом же источнике сообщается о корреляции междуэффектом снижения турбулентного трения при помощи полимерных добавок(эффект Томса) и повышением устойчивости к распаду высокоскоростной струикеросина при помощи тех же добавок.Экспериментальныезависимостирасходакеросинасразличнойконцентрацией добавки полимера от перепада давления для форсунки №2,представленные на Рисунке 11, свидетельствуют о том, что с увеличениемконцентрации добавки расход увеличивается при постоянном перепаде давления.Распыл с увеличением концентрации добавки заметно ухудшается.

Ранее, в [61]сообщалось об улучшении качества распыливания центробежной форсункой.Однако, использование форсунки одной геометрии, а также небольшоеколичество экспериментов не позволяют сделать однозначное и верноезаключение о влиянии полимера на мелкость распыливания.Опытные данные, полученные для различных форсунок, перепадов давленийи концентраций полимера в керосине дают более полное представление охарактере течения жидкости с присадкой.Рисунок 11. Расходная характеристика форсунки №2.61Основным фактором, оказывающим наибольшее влияние на распыл являетсявязкость.

Несмотря на микроскопическое содержание полимера в растворе,вязкость керосина существенно возрастает, и она тем больше, чем вышемолекулярная масса добавляемого полимера.Из-за вязкости жидкости на стенке камеры закручивания возникают силытрения, направленные в сторону, противоположную скорости течения. Моментсил трения вызывает уменьшение момента количества движения, который навходе в сопло становится меньше, чем на входе в камеру закручивания.

При этомуменьшается радиус воздушного вихря, возрастает коэффициент расхода иубывает угол факела распыла. Таким образом, в центробежной форсунке врезультате трения о стенки камеры закручивания расход реальной вязкойжидкости больше, чем идеальной. При переходе от идеальной жидкости к вязкойкоэффициент расхода центробежной форсунки возрастает, а угол факела распылауменьшается, причем тем сильнее, чем больше комплекс θ, характеризующийвлияние трения жидкости о стенки камеры закручивания на момент количествадвижения [49]:(14)где Ад - действующая характеристика форсунки;- коэффициент трения;- радиус камеры закручивания;rc - радиус сопла форсунки.Коэффициент трения в центробежных форсунках больше, чем в гладкихтрубах.

Это объясняется тем, что в центробежной форсунке пограничный слойобразуетсявусловияхзначительногопоперечногоградиентадавления,вызывающего в пограничном слое появление радиальных токов, направленных изобласти с малыми (на периферии камеры закручивания) в область с большимизначениями окружной скорости (вблизи сопла).По мере увеличения камеры закручивания возрастает поверхность трения и,как следствие, уменьшается момент количества движения потока жидкости,62поступающего в сопло форсунки. При этом увеличивается коэффициент расхода иснижается угол факела распыливания. Кроме того, с увеличением диаметрасоплового отверстия возрастают и размеры капель. Что и наблюдалось во времяэкспериментов.Рисунок 12.

Зависимость коэффициента расхода и угла распыливания дляидеальной и вязкой жидкости [49].Аналогичные выводы были сделаны и в [58] для одной геометрическойхарактеристики форсунки. Однако, для случая с форсункой № 1 наблюдаетсяобратная картина. С увеличением концентрации добавки ПИБ происходитуменьшение расхода через форсунку и увеличивается перепад давления (Рисунок13).63Рисунок 13. Расходная характеристика форсунки №1.Снижение коэффициента расхода в форсунке №1 при увеличении вязкостиможно объяснить большой степенью закрытия форсунки. Суммарная площадьпроходных каналов навивки завихрителя более чем в 3 раза превышает площадьсопла форсунки. Таким образом, при увеличении вязкости раствора, перепаддавления срабатывается не на тангенциальных каналах завихрителя, а в сопле.Отсюда следует, что вся камера закручивания была заполнена жидкостью,газовый вихрь и закрутка отсутствовали.

С увеличением вязкости (концентрацииполимера) и уменьшением диаметра сопла форсунки вязкостное трениевозрастает настолько, что начинают смыкаться пограничные слои. Течение особовязкой жидкости в центробежной форсунке с большой степенью закрытия уже неподчиняется законам циркуляции, принятым для расчета центробежных форсунок[49]. Дальнейшее уменьшение диаметра сопла (или увеличение вязкостижидкости) снижает коэффициент расхода, как это происходило бы при струйномтечении [59]:64(15)где, К - потери, связанные с перестроением профиля скорости, сжатием ирасширением потока;λ - коэффициент линейного гидравлического сопротивления форсунки;- диаметр сопла форсунки;- длина сопла.Похожая ситуация наблюдается и на мелкоячеистых фильтрах [61].ПроведенныегидравлическиеиспытаниявлиянияприсадкиПИБнасопротивление магистрали диаметром 4 мм с использованием 7 мкм фильтрапоказали следующий результат (Рисунок 14).Рисунок 14.Зависимость расхода компонента от давления наддува в баке.Из результатов видно, что мелкоячеистый фильтр (размер ячейки 7мкм) даетзначительное увеличение гидравлических потерь даже на небольшой длинемагистрали огневого стенда.

При использовании подобных фильтров в большихЖРД гидравлическое сопротивление будет существенным.653.2 Исследование влияния добавки полиизобутилена к керосину на полнотусгорания топлива3.2.1 Описание огневого стенда для испытаний ЖРДМТДействующий огневой испытательный стенд на кафедре «Ракетныедвигатели» факультета «Двигатели летательных аппаратов» МАИ предназначендля испытаний жидкостных ракетных двигателей малых тяг [62].