Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Учебник под ред. В.М.Кудрявцева (1014186), страница 42
Текст из файла (страница 42)
Тонкость распыливания характеризуется диаметром капель: чем меньше диаметр капель, тем тоньше распыливаиие топлива. Однородность распыливания характеризуется диапазоном изменения диаметра капель в факеле распыленного топлива: чем меньше разница в диаметрах образовавшихся капель, тем однороднее распыливание топлива. Глубина проникновения факела распыленного топлива в газовую среду называется дальнобойносл1ьи. Форма факела распыливания обусловливается формой головки, типом и гидравлическими параметрами форсунок. Рассмотрим вначале факторы, влияющие на основные характеристики процесса распыливания топлива единичной форсунки, так как 1сЗ 1 — !442 04 194 характеристика распыливания единичной форсунки в значительной мере определяет качество распыливания топлива при совместной работе группы форсунок, расположенных на головке КС.
Для оценки тонкости и однородности распыливания жидкости, а также для расчета процессов испарения, смешения и других необходимо знать количество капель, образовавшихся в результате рас- пада струи, и их размеры. Ко«н 19 «е 'д личество образованных капель в результате распыливання и их размеры определяются из опы«, та. «е йи г10 Графическое изображение о,иг распределения числа капель по их размерам называют карак«е огеристикой оасггыливания. На рис. 8.18 по осн абсцисс отложен диаметр капель йн, а по оси ординат — количество капель 004 ог Ле или их объемы Лгн с РазмеРами от нуля до величины, соответствующей значению каждой О гО 40 00 00 0,,«к«данной абсциссы в процентах от общего количества капель или Рис.
8.18. ХаРактеристики Распылиаа- их общего объема Получаю аия их о"'"его о ъема. олучающнеся при этом кривые йазывают числовой или объемной кривой сумм. Дифференцирование полученной связи по размеру капель дает кривую относительной частоты Ф, капель отдельных размеров. По указанным графикам можно судить о тонкости и однородности распыливання. Чем ближе к оси ординат располагается характеристика распылнвания, тем тоньше распыливание жидкости, тем уже диапазон размеров капель, в котором размещается характеристика. Чем четче выражен максимум числовой кривой частот, тем однороднее распыливание жидкости.
При однородном и тонком распыливании топливо будет быстрее подготовлено к сгоранию. Тонкость распыливания характеризуется некоторым средним диаметром капель. Условно прис нято считать за средний, медианный, диаметр капель тот диаметр, при котором относительная масса капель с размерами от нуля до этого диаметра составляет половину массы всех капель. Из рис. 8.19, а видно, как определяется медианный диаметр по характеристике распыливания. Б некоторых работах предложена следующая критериальная зависимость для определения меднаиного диаметра капель при распыливании жидкости центробежными форсункамн: й Я 47 8гг(Ао,аПо.гЯео,г) (8.75) где П = т! /(р о й,); Гте =- р йг,йо!г1; о, р, т! — соответственно поверхностное натяжение жидкости, плотность и коэффициент динамической вязкости.
а) г ге 00 00 гО 0 10 гО 00 ан,«К« Рис. 8.!9. Характеристики распылиааггия: е — прн ненененнн Ьра; и — арн перененнык р„ Зависимость (8.75) получена в результате обработки опытных данных при следующих характерных параметрах: А =- 1,72 —: 9,51; с(, = 0,38 —: 1,58 мм; рсн = 1000 —: 1190 кгlма. Однако (8.75) не учитывает влияния изменения давления окружающей среды, так как опыты проводились прн неизменном атмосферном давлении.
Из (8.75) следует, что для форсунки с заданной геометрией медианный диаметр наиболее существенно зависит от перепада давления. С увеличением ггггф тонкость распыливания вначале быстро возрастает, при дальнейшем росте Лрэ интенсивность увеличения тонкости распыливания уменьшаегся. Увеличение вязкости и поверхностного натяжения ведет к снижению тонкости распыливания топлива.
Использование одного из компонентов топлива в качестве охлаждающей жидкости камеры ведет к повышению его температуры и в связи с этим к снижению вязкости и поверхностного натяжения жидкости, что улучшает тонкость распыливания. Большое влияние на тонкость распыливания жидкости оказывает значение геометрической характеристики форсунки А. Чем больше А, тем меньше коэффициент живого сечения.
Толщина пелены жидкости, вытекающей из форсунки, уменьшается, что ведет к более мелкому ее дроблению на капли и уменьшению й,„, т. е. улучшается тонкость распыливания. Из характеристики распыливания струйной форсунки, представленной на рис. 8.19, б, видно, что с повышением давления среды улучшается тонкость распыливания 1графически изображается смещением характеристики Ф, = )(й„) к оси ординат, где Лг — количество капель).
Улучшение тонкости распыливания топлива с увеличением давления окружающей среды объясняется следующими соображениями. Поверхностное натяжение капли влияет на ее устойчивость. Для шарообразной капли избыточное давление относительно окружающей среды определяется из условия равновесия ее половины.
Сила поверхностного натяжения, равная 2ага (г — радиус капли, а — удельная сила поверхностного натяжения), уравновешивается действием 7* 198 внутреннего избыточного давления Лрпг', откуда избыточное давление внутри капли Лр = 2а1г. Из сказанного видно, что избыточное давление в капле с уменьшением ее размера растет по гиперболическому закону. При распыливании капли движутся в газовой среде с относительной скоростью %' и испытывают воздействие среды, пропорциональное )г'р,р/2 (р,р— плотность среды).
Динамическое воздействие среды по поверхности капли переменно: максимальное динамическое воздействие среды достигается со стороны набегающего потока, а минимальное — со стороны схода потока с капли. В результате капля деформируется и теряет шарообразную форму. При равенстве динамического и внутреннего давлений торцовый элемент капли становится плоским. Прн дальнейшем увеличении динамического давления эта часть капли становится вогнутой, теряет свою устойчивость и распадается на более мелкие капли, устойчивость которых больше первоначальной, более крупной капли. При данном поверхностном натяжении и динамическом воздействии среды существует вполне определенный размер капли, при котором она может не разрушаться.
Повышения давления среды при заданной скорости истечения струи жидкости или скорости истечения при заданном давлении среды ведут к более мелкому дроблению струи на капли, т. е. улучшается тонкость распыливания. Итак, тонкость распыливания улучшается с увеличением геометрической характеристики форсунки и перепада давлений на ней, уменьшением вязкости и поверхностного натяжения жидкости, а также диаметра сопла форсунки и повышением давления среды, в которую впрыскивается топливо.
Следует подчеркнуть, что влиять произвольно на тонкость распыливания жидкости, изменяя те или иные факторы, конструктор не может. Некоторые параметры заранее задаются (давление в камере сгорания, топливо, вязкость и поверхностное натяжение), другие по тем или иным соображениям можно менять в весьма узких пределах (Й, — из технологических и эксплуатационных соображений, Лрф — из условия, например, экономичности работы или массовых характеристик системы подачи топлива и др.).
Только в результате тщательного анализа всех факторов, влияющих на тонкость распыливания и на выходные характеристики двигателя, конструктор выбирает параметры форсунок. Однородность распыливания увеличивается с повышением перепада давлений на форсунках (см. рис. 8.19, а), давления окружающей среды (см. рис. 8.!9, б) и др. Большое значение для организации рабочего процесса имеет дальнобойность факела распыленного топлива. Для полного завершения процесса горения топлива в минимальном объеме камеры сгорания желательно иметь минимальную дальнобойность.
Увеличение перепада давлений у струйных форсунок ведет к повышению дальнобойности факела распыленного топлива (что нежелательно) и скорости истечения„а следовательно, к более мелкому дроблению струи на капли (что выгодно). В этом случае необходимо найти оптимальное решение. Увеличение давления среды снижает дальнобойность фа- 196 кела распыленного топлива.
Это снижение обусловлено большим аэродинамическим сопротивлением факела распыленного топлива из-за роста плотности среды и распадом струи на большее количество капель. Дальнобойность факела распыленной жидкости через центробежную форсунку значительно меньше, чем через струйную, что является преимуществом центробежных форсунок. К последнему можно отнести возможность изменять дальнобойность за счет изменения ее геометрической характеристики при неизменном перападе давления на форсунке.
Увеличение геометрической характеристики ведет к росту угла распыливания, а следовательно, и аэродинамического сопротивления факела распыленного топлива и, как следствие, к снижению дальнобойности. Следовательно, различные факторы, определяющие качество распыливания топлива, взаимно связаны и их необходимо выбирать такими, чтобы обеспечить наивыгоднейшие характеристики ЖРД. Распределение распыленной жидкости в факеле. Важная характеристика процесса распыливания компонента топлива — его распределение по радиусу и вокруг оси факела. Если распределение равномерно, то можно добиться более равномерного распределения топлива в поперечном сечении камеры сгорания как по,соотношению компонентов, так и по расходонапряжениости, а следовательно, сжечь топливо в минимальном объеме с высокой полнотой сгорания.
Распределение распыленной жидкости в факеле характеризуется полем удельных расходов жидкости в различных местах факела. Удельный поток жидкости равен отношению массового расхода ее через площадку„перпендикулярную направлению полета капель, к величине этой площадки: о = Лт/Лг . (1=-М К = (Ятях Ямы) Л (8.76) 197 Так как очень трудно определить направление скорости движения капель, то принимают за удельный поток жидкости отношение массового расхода жидкости через площадку, перпендикулярную оси форсунки, к величине этой площадки: ) = Лт1М.. Коэффициент неравномерности распределения распыленной жидкости вокруг оси факела Рис. 8.20.
Схема кольцевого (а) и секцион- ного (б) сборников: 1 — форсунка; т — сборннк; 3 — мерна» емкость где (г „, (гж!„— максимальный и минимальный объемы жидкости в каком-либо секторе сборника; )У вЂ” число секторов сборника; 1;),— расход жидкости в 1-м секторе. С помощью кольцевого сборника (рис. 8.20,а) можно определить распределение жидкости по радиусу факела распыленной жидкости, ф 10 гг))см'с) 9, г)снгг) .О,гп айт О, 10 00 п,г — 00 -10 0 Ю Хогнн О -00 -гп 0 гп 60 г, нн Рис. 8.22. Поля распределения удельных потоков распыленной жидкости (дизельное топливо) для струйной форсунки при различных протнводавлениях воздуха при ос= 0,38 мм, 1 = 350 мм, Лдо= 25,0МПа а с помощью секторного сборника (рис.
8.20, б) — распределение жидкости вокруг осн факела распыленного топлива. Рассмотрим распределение распыленной жидкости через струйную форсунку и факторы, влня- 9, г/(гнг г) 0,0 04 г -00 -40 -гп 0 гп 40 00 г,нм Рнс. 8.23. Поля распределения удельных потоков распыленном жидкости (дизельное топливо) для струйной форсунки при разлнчнык перепадах давления при ое = 0,38 мм, 1 = — 350 мм, противодавлении р =- 1 МПа 198 Рнс. 8.21. Поля распределения удельных потоков распыленной жидкости (керосин) для струйной форсуики иа различиык расстояниях от среза сопла форсуики при де = 0,75 мм, Л р.= 10 МПа ющие на это распределение.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
