Диссертация (Углеводородное горючее на основе керосина с присадками для повышения энергетической эффективности ЖРД), страница 9

[49]. Тонкость распыла форсункиявляется качественным критерием, определяющим полноту сгорания топлива, ихарактеризуется среднемассовым диаметром образующихся капель. Чем меньшесредний диаметр капель, тем лучше распыл и, соответственно, смешение ивыгорание топлива будет более равномерным и полным.Для конкретной конструкции форсунки диаметр капель зависит от диаметрасопла, вязкости распыляемой жидкости, плотности, поверхностного натяжения иплотности среды, в которую распыляется жидкость.Для оценки тонкости распыла жидкости применяют различные методы,иногда сильно отличающиеся друг от друга.

Наиболее распространеннымипрямыми методами измерения распыла являются: получение отпечатков капельна воспринимающей поверхности – пластине, покрытой слоем сажи; улавливаниекапель жидкости; замораживание капель и метод с использованием парафина;микрофотографированиекапель.Обработкаматериалов,полученныхприиспользовании этих методов, сводится к измерению диаметров либо самихкапель, либо фотографий капель или их отпечатков. Полученный материалпозволяет построить суммарные кривые распределения.К косвенному и наиболее перспективному методу измерения мелкостираспыла относится оптический метод, основанный на явлении рассеяния плоскоймонохроматической волны света каплями жидкости.

Кривая, характеризующаяинтенсивность рассеянного света на углу (индикатриса рассеяния) может быть48использована для определения функции распределения капель по размерам вобъеме аэрозоля, попадающего в световой пучок.При больших значениях параметра ρ=2πα/λ рассеяние света происходит восновном на малые углы. Например, при длине волны света λ=0,6 мкм каплюможно считать большой, если α>3 мкм, что справедливо даже для аэрозолей,получаемых акустическими форсунками.

Свет, рассеянный на малый угол βр отнаправления луча, не зависит от показателя преломления и других свойствжидкости и среды и имеет интенсивность:,где(4)– интенсивность падающего света;J1(x) – функция Бесселя первого рода первого порядка.В полидисперсной системе для однократного рассеяния, т.е. при не оченьбольшой концентрации аэрозоля, интенсивности света от отдельных частицсуммируются, и, таким образом, индикатрису можно выразить формулой,где(5)– счетная функция распределения капель по размерам.Верхний предел интеграла (5) может быть конечным, например, в случаеаэрозолей с конечным верхним пределом. Условие однократного рассеянияможно контролировать согласно неравенству,(6)где I – интенсивность света в центральном пучке.Рассматривая уравнение (5) как интегральное относительно, получимего решение:(7)где(8)– функция Бесселя 2-го рода первого порядка.49Таким образом, по формуле (7) можно найти функцию распределения капельпо размерам.Рисунок 5.

Схема установки для измерения индикатрисы рассеяния.Установка (Рисунок 5) для измерения индикатрисы рассеяния света состоитиз источника монохроматического света 1 (в настоящее время применяютоптическиеквантовыегенераторы,напримергелий-неоновыйлазер,генерирующий электромагнитные колебания с длиной волны λ=0,6 мкм),оптической коллимирующей системой 2 с углом расхождения лучей менее 10-3рад, распыливающего устройства 3, собирающей линзы 4, фотоприемника 5,расположенного в фокальной плоскости 6 собирающей линзы.

В качествефотоприемника используют фотоумножители или фотодиоды, сигналы с которыхрегистрируются на самописцах в зависимости от расстояния r между диафрагмойфотоприемника и осью луча, которое связано с углом= r/F, где F–фокусноерасстояние собирающей линзы, которое намного больше длины пути луча врассеивающей среде.

Измерение интенсивности света проводят вне фокальногопятна (обычнорад) дорад. При этом следует учестьсветовой фон, возникающий вследствие рассеяния света на элементах оптическойсистемы.50Возможнарегистрацияинтенсивностирассеянногосветатакженафотопленку с последующим фотометрированием. Полученные зависимостиобрабатываются по формулам (7),(8) на ЭВМ и получают функции распределениякапель по размерам.3.1.1 Описание установки для исследования распылаДля исследования распыла керосина был спроектирован и изготовленспециальный каплеуловитель с вытяжной вентиляционной системой. Этообъясняется необходимостью выполнения требований техники безопасности пригидравлических проливках форсунки и смесительной головки на керосине.Помимо этого оптические системы, используемые для регистрации распределениякапель по размеру, необходимо защитить от попадания мельчайших капельвоздушно-жидкостной смеси, которые возникают при распылении, на линзыприборов.Каплеуловитель (Рисунок 6) состоит из трубы, верхней крышки, в которуювмонтирована система подачи форсунки в рабочую область, двух отверстий длярегистрации качества распыла, нижней крышки с патрубком слива керосина исистемы принудительной вытяжки смеси с вентилятором во взрывозащищенномисполнении [61].Вертикальноеположениекаплеуловителяисключаетвлияниегравитационных сил на факел распыла.Керосин из системы подачи поступает в форсунку через трубку подачи .Крепление трубки в крышке позволяет регулировать положение форсункиотносительно оси лазерной установки, т.е.

исследовать качество распыла наразной длине факела. Вентилятор производительностью 2300 м3/мин высасываетсмесь, обеспечивает при этом приток чистого воздуха из окружающей среды избоковых отверстий. В области расположения оптики возникают направленныевоздушные потоки, препятствующие полету капель в сторону линз.51Рисунок 6. Схема каплеуловителя для исследования распыла керосина.Рисунок 7. Внешний вид каплеуловителя с окном для лазерного луча.Созданный каплеуловитель обеспечивает нормы безопасности, позволяетпроводить замер дисперсности капель распыла керосина и исключает попаданиекапель компонента на регистрирующую аппаратуру и оптические линзы.523.1.2 Лазерный измеритель дисперсности распыла капельСистема дистанционного лазерного измерителя обеспечивает регистрациюдиаграммы рассеяния аэрозольного облака на расстояниидо 2 м отизмерительного объёма. В результате математической обработки определяютсяразмеры и концентрация входящих в облако частиц (фазодисперсный состав).Структурная схема системы измерения представлена на Рисунке 8.Рисунок 8.

Структурная схема базового дистанционного лазерногоизмерителя.1 – блок лазерных излучателей; 2 – блок управления лазернымиизлучателями; 3 – блок передающей оптики; 4 – блок приемной оптики; 5 –светорассеивающий экран; 6 – маска; 7 – фильтр; 8 – цифровой фотоаппарат; 9– компьютерЭта система содержит: блок лазерных излучателей 1, блок управлениялазерными излучателями 2, блок передающей оптики 3, содержащий полевуюдиафрагму и в ряде случаев коллиматор, формирующий зондирующие лучи иразмеры измерительного объёма, и блок приёмной оптики 4, содержащий Фурьелинзы. Фурье-линзы имеют фокусное расстояние 50-100 см, световой диаметр 10-20 см. Фокусное расстояние линз, входящих в коллиматор, от 10 мм до 20 см.Как отмечалось ранее, из-за малых размеров частиц (2-10 мкм) и большихрасстояний (до 2 м) диаметр наиболее информативной части пространственногоспектра, в которой содержится около 90% энергии рассеянного излучения,получаетсяболее 20 см.Поэтому, чтобы зарегистрировать такой спектр53непосредственно на фотографическуюматрицу, её надо изготавливатьспециально, а это приводит к большим затратам.

Для того чтобы можно былорегистрироватьтакойпространственныйспектрсерийнымцифровымфотоаппаратом 8, в частотной плоскости блока приёмной оптики установленсветорассеивающий экран 5, визуализирующий пространственный спектр. Чтобыне вывести из строя матрицу фотоаппарата 8 прямым лазерным лучом, зарассеивающим экраном 5 в ряде случаев целесообразно установить маску 6,поглощающуюпрямоелазерноеизлучение.Иногда,чтобыуменьшитьсветорассеяние между элементами экрана 5, маску устанавливают до него. Дляуменьшения влияния фоновой засветки перед объективом фотоаппарата 8целесообразно(нонеобязательно)такжеустановитьинтерференционныйсветофильтр 7.

Отметим, что для двух длин волн излучения лазеров, светофильтрможет быть сменным или специально изготовленным. Зарегистрированныйцифровым фотоаппаратом 8 пространственный спектр поступает в компьютер 9,где с помощью специально разработанного программного обеспечения ивычисляются размеры и концентрации частиц аэрозольного облака. Управлениелазерными излучателями также осуществляется через компьютер 9, в качествекоторого для повышения мобильности системы используется ноутбук, иливручную.На Рисунке 9 показана принципиальная схема измерения дисперсностираспыла.

Передающий блок измерителя содержит полупроводниковый лазер 1(красный, длина волны 650нм, тип лазера KLM-650/20) и полевую диафрагмудиаметром 2мм,уменьшающую диаметр лазерного луча,зондирующегоизмерительный объем 3 с распыленными каплями керосина. Свет, рассеянный впрямом направлении 4 и под малыми углами, попадает на Фурье-линзу 5, вфокальной плоскости которой установлен экран 6. Фокусное расстояние Фурьелинзы 500 мм, световой диаметр 200 мм.

Экран изготовлен из матированного содной стороны стекла толщиной 3 мм размером 300х300мм.54Рисунок 9. Принципиальная схема системы измерения распределения капельпо размеру. 1- полупроводниковый лазер; 2 - диафрагма; 3 - измерительныйобъем; 4 - рассеянные лучи лазера; 5 - линза; 6 - экран; 7, 8, 9, 10 - цифровыефотоаппараты; 11 - коммутатор; 12 - пульт управления фотосъемкой; 13 адаптер; 14 - компьютер.Распределение интенсивности света в фокальной плоскости линзы (частьиндикатрисы,соответствующаямаломууглурассеяния)регистрируетсяцифровым фотоаппаратом 7 (CanonEOS1000Р). Фурье-линза 5, экран 6 ицифровой фотоаппарат 7 входят в состав приемного оптоэлектронного блока,предназначенного для измерения характеристик дисперсности облака капелькеросина в диапазоне измерений 1-10 мкм.

Для диапазона измерений 0,2-2 мкм вприемныйблокрегистрирующийдополнительнообратноевводятся:рассеяние,цифровойфотоаппарат9,фотоаппарат8,регистрирующийрассеянный свет под прямым углом, и фотоаппарат 10, регистрирующий свет,рассеянный в прямом направлении, но при углах, превышающих 100 (т. е. приуглах, выходящих за пределы малоуглового рассеяния). Отметим, что установкафотоаппаратов 8 и 10 под углами относительно главной оптической оси α и 180 ◦α позволяет использовать для измерения размеров аэрозоля метод асимметрии55индикатрисы рассеяния, что упрощает обработку результатов. Регистрациярассеянного света всеми фотоаппаратами производиться одновременно. Этодостигается благодаря применению коммутатора 11 и пульта управленияфотосъемкой 12.