Диссертация (Углеводородное горючее на основе керосина с присадками для повышения энергетической эффективности ЖРД), страница 12

Такая методика проведения испытания позволяет проверитьработоспособность самой камеры сгорания при длительных работах безиспользования дорогостоящего вакуумного оборудования.В процессе экспериментов определялся расходный комплекс βs=f(Pk,m∑,km)двигателяДМТМАИ-200-7ОКсиспользованиемвкачествегорючегостандартного керосина - обр. №1; и керосина с присадкой полиизобутилена, -77обр.№3 (концентрация полимера 0,05%). Основными измеряемыми величинамиявлялись: установившееся давление в камере сгорания и расходы окислителя игорючего.После гидравлических проливок на чистом керосине и керосине сполимерной присадкой было выявлено, что скорости при расходах керосина сдобавкой ПИБ, характерных для исследуемого ЖРД МТ, лежат в зоне чиселРейнольдса, не превышающих критического значения для наступления эффектаснижения гидросопротивления.Для исследуемого двигателя номинальными расходами керосина являются~20 и ~10 г/с для завесы и форсунок соответственно, при условии 30% керосинана завесу и суммарной альфа αΣ ≈ 0,7.Рисунок 26.

Расходная характеристика магистрали керосина.Как видно из расходных характеристик (Рисунок 26), эффект Томсанаступает при расходах, намного больших 30 г/с, что подтверждается и расчетомчисел Re для используемой магистрали горючего:(16)где,- скорость керосина в трубе, м/с;78- расход керосина, г/с;ρ - плотность керосина, кг/м3;dг - диаметр трубопровода, м;F - площадь поперечного сечения трубопровода.ν - кинематическая вязкость, м2/с.Гидравлический диаметр трубопровода керосиновой магистрали постоянныйи составляет 4 мм.

Плотности чистого керосина и керосина с ПИБ равны 835кг/м3. Единственным параметром, влияющим на скорость течения керосинаявляется кинематическая вязкость, которая для керосина с присадкой полимерасоставляет 9,63*10-6 м2/с, что в 3 раза превышает вязкость чистого керосина.Результат расчета чисел Рейнольдса для чистого керосина и керосина с ПИБпредставлен на Рисунке 27.Рисунок 27. Зависимость числа Рейнольдса от расхода керосина.Таким образом, снижения гидравлического сопротивления в магистралях вовремя огневых экспериментов не наблюдалось.

Тем не менее, отсутствие эффектаТомса не повлияло на настройку двигателя и его работу, а наоборот было прощевыдержать одинаковые режимы по расходам керосина для исследования влияниядобавки на полноту сгорания.79Чтобы избежать прогара камеры и сохранить материальную часть, всеогневыеэкспериментыпроводилисьнавосстановительномрежиме,сиспользованием керосиновой завесы.Таблица 13. Результаты экспериментов на чистом керосине.расход Кер.фор Кер.заве РасходƩ % наО2, г/с с., г/сса, г/с, г/сзавесу αƩ Pk, атм127,7115,8929,8073,4240,59 0,176,12227,7316,9522,8467,5333,82 0,206,20329,8013,5524,3767,7335,98 0,236,53426,5215,3429,7571,6241,55 0,175,93526,6915,3728,7470,8040,59 0,175,93626,6215,7226,3668,7138,36 0,185,87726,7416,1023,9966,8435,90 0,195 5,86826,8416,5423,9767,3635,58 0,194 5,93926,8617,2724,0068,1435,22 0,191 5,8510 26,8016,3423,7766,9235,52 0,196 5,8711 26,7716,4623,2466,4834,95 0,197 5,7912 26,8616,5423,9767,3835,57 0,194 5,79Тяга,Н76,273,3879,0469,8669,9069,5770,8270,2069,9270,2469,9370,20βэксп.944,11039,01091,3937,5948,5967,1991,9996,6971,4993,6986,3973,4βтеор121112511286121012101232124512421237124512471242φβ0,7750,8300,8480,7740,7830,7850,7960,8020,7850,7980,7900,783βтеор117712301229123412511223122212211223123412311220122012181215φβ0,7460,8010,7920,7960,8580,7940,7930,7920,7860,8100,7930,7830,7810,7850,782Таблица 14.

Результаты экспериментов на керосине с ПИБ.123456789101112131415расход Кер.фор Кер.заве РасходƩО2, г/с с., г/сса, г/с, г/с22,6217,5026,9567,0726,2316,5823,3666,1726,3717,0523,4866,9026,7416,9623,2066,9027,1017,2620,8065,1625,0616,6024,3165,9725,0416,9924,0566,0824,9117,2823,8866,0724,7916,6023,7865,1724,8316,9621,7763,5624,8517,1921,9964,0324,9016,8424,1965,9324,8117,0423,9365,7724,9917,3524,3766,7125,0117,7824,2867,07% назавесу40,1735,3135,1034,6831,9236,8436,3936,1436,4934,2534,3536,6836,3836,5336,20αƩ0,1500,1930,1910,1960,2090,1800,1790,1780,1810,1890,1870,1780,1780,1760,175Pk,атм5,215,775,755,816,185,665,665,655,545,625,525,575,545,645,63Тяга,Н61,568,268,669,773,967,867,967,065,966,066,366,566,467,267,3βэксп.878,22985,66972,85981,911072,7970,75969,20967,61961,40999,64975,83955,29952,93956,57950,08На Рисунке 28 представлена зависимость расходного комплекса β откоэффициента избытка окислителя αΣ.

Полнота сгорания керосина с ПИБнезначительно выше, чем на чистом керосине (Рисунок 29). Это несмотря на то,что двигатель работал в газогенераторном режиме, с заведомо очень низкими80альфа (α ≈ 0,2). Кроме того, завеса была восстановительная, т.е. внутреннеохлаждение осуществлялось также керосином, где распыла, как такового не было.Рисунок 28. Зависимость расходного комплекса β от αƩ.Рисунок 29. Зависимость φβ от αƩ.81При сравнении φβ в первом приближении можно сказать, что полнотасгорания отличается менее чем на 0,5 %, что соответствует погрешностиизмерений приборов.Как отмечалось ранее, основным механизмом влияния на полноту сгораниятоплива является смесеобразование.

Эффективность работы двигателя напрямуюзависит от распыливания компонента (керосина). Проведенные исследования внастоящей работе свидетельствуют об ухудшении распыла при использованиикеросина с присадкой ПИБ. Однако ухудшения работы двигателя замечено небыло. Это можно объяснить организацией смесеобразования в исследуемойсмесительной головке (Рисунок 20). Двухкомпонентная форсунка с внутреннейступенью горючего и внешней ступенью окислителя (газообразного кислорода)(Рисунок 30) работает в условиях большой относительной скорости потока.Рисунок 30. Конструкция двухкомпонентной форсунки.(17)где,- скорость газообразного кислорода в форсунке;- скорость керосина на выходе из ступени "Г" форсунки;- расходы окислителя и горючего для одной форсунки;- площади проходных каналов ступеней "Г" и "О" соответсвенно;- плотности компонентов топлива на входе в форсунку.82Несложными вычислениями получим, что относительная скорость вфорсунке превышают 120 м/с.

Мелкость распыливания, оцениваемая по критериюВебера We, при впрыскивании жидкости в поперечный газовый потокрассматривалась во многих работах. Значения критерия для разрушения капливарьируется от 2,8 до 14 [49-53,56]. Однако во всех источниках отмечено, что сувеличением относительной скорости потока размеры капель уменьшаются. А таккак газообразный кислород подавался поперек потока жидкости, истекающей изступенигорючегоибылзакручен,томожносказать,чтовнешниеаэродинамические силы, действующие на капли керосина, намного превышалисилы поверхностного натяжения и мгновенно разрушали капли до мельчайшегосостояния. Вязкость жидкости не оказывает существенного влияния на размерыкапель когда длины волн возмущений велики или сравнимы с радиусом струи[50].

Распыл во время огневого эксперимента производился в более плотнуюсреду, и экспериментальные данные, относящиеся главным образом к форсункамдвигателей внутреннего сгорания, показывают, что если плотность среды в 6-20раз превышает атмосферную, то размеры капель не зависят от колебанийплотности. А влияние вязкости является несущественным.Для оценки теплового состояния двигателя на КС РД МТ было установлено12 термопар, по 4 термопары в 3х сечениях камеры сгорания (Рисунок 31).Рисунок 31. Развертка КС с расположением термопар на внешней стенке.83В результате многочисленных экспериментов с керосиновой завесой послестатистической обработки показаний термопар были получены следующиерезультаты.Рисунок 32.

Показания термопар для запусков на чистом керосине и керосине сПИБ.Для сравнения взяты два запуска с разными керосинами (Таблица 13, 14),запуск 10 на чистом керосине и запуск 4 на керосине с ПИБ. На Рисунке 33представленыпоказаниярасходовидавленийвкамересгораниядлядвухсекундных запусков.Режимы полностью идентичны, расходы керосина в форсунки и в завесуразличаются менее чем на 1 г/с. Давления в камере сгорания практическиодинаковы. Относительный расход в завесу в случае с керосином с добавкой былменьше, чем при запуске на чистом керосине, но не значительно.

Однако,градиенты температур оказались меньшими при использовании керосина с ПИБ.Максимальная температура стенки КС во время 2х секундного запуска сиспользованием чистого керосина составила 360 C°, при эксперименте на том жережиме с керосином с ПИБ максимальной была температура 320 C°.84Рисунок 33. Показания датчиков для запуска 10 (чистый керосин) и запуска 4(керосин с ПИБ).Исходя из полученных результатов можно сделать вывод, что использованиекеросинасприсадкойПИБснижаетградиенттемпературывслучаеиспользования керосиновой завесы. Стенка камеры прогревается дольше, чем прииспользовании чистого керосина. Ранее проведенные исследования показали, чтоповышение концентрации фактических смол свыше норм ТУ 38.001244-81приводит к ухудшению конвективного теплообмена и снижению удельныхтепловых потоков [39]. Это объясняется тем, что модифицированное горючееобладает более низким коэффициентом теплопроводности по сравнению с чистымкеросином.Механизм распространения тепла в жидкостях можно представить какперенос энергии путем нестройных упругих колебаний.

Такое теоретическоепредставление о механизме передачи тепла в жидкостях, выдвинутое А.С.Предводителевым, было использовано Н.Б. Варгафтиком для описания опытных85данных по теплопроводности различных жидкостей [47]. Для большинстважидкостей теория нашла хорошее подтверждение.На основании этой теории была получена формула для коэффициентатеплопроводности, имеющая следующий вид [48]:(18)где ср – теплоёмкость жидкости при постоянном давлении;ρ – плотность жидкости;μ – молекулярная масса.Коэффициент А, пропорциональный скорости распространения упругих волнв жидкости, не зависит от природы жидкости, но зависит от температуры; приэтом произведение А*ср ≈ const.Также известно, что повышение вязкости раствора жидкости влияет наволнообразование[49].

Вязкость вызывает затухание амплитуды колебаний позакону:(19)где Ак - амплитуда колебаний;А0 - начальная амплитуда;ν - кинематическая вязкость;а - волновое число;t - время затухания.Таким образом, можно предположить, что содержание полимера в керосинеприводит к снижению турбулентных пульсаций в жидкости, тем самымуменьшается тепловой поток в стенку КС. По мере продвижения керосина постенке, градиенты температур начинают выравниваться. Это происходит, какотмечалось в источнике [39], из-за деструкции полимера и приближении егосвойств к обычному керосину.Уменьшение теплопроводности керосина с добавкой ПИБ можно объяснитьиз анализа формулы (18).