Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Учебник под ред. В.М.Кудрявцева (1014186), страница 43
Текст из файла (страница 43)
На рис. 8.21 (опыты К Н. Ерастова) показаны поля распределения удельных потоков жидкости по радиусу факела распыленной жидкости на различных расстояниях 1 от среза сопла форсунки. Из ри- сунка видно, что максимальное значение удельного потока жидкости находится на оси форсунки и резко уменьшается по мере удаления от нее. С увели- чением расстояния от сре- О,г/(гнг с) за форсунки происходит гп выравнивание полей удельных потоков.
При увели- О 1 чеиии давления в камере сгорания поля удельных о потоков становятся более равномерными, что, естественно, выгодно для эффективного протекания в ней рабочего процесса (рис. 8.22). Увеличение скорости истечения (перепада давления ь)з на фор- " -бп -40 -гп О гп лп 00 гнн сунках) также ведет к выравниванию удельных по- Рис. 824. поля распределения удельных потоков распыленной жидкости для струй- токов жидкости (Рис. 8.23). иых форсунок прн различных л при Увеличение диаметра соп- Лрй= 25,0 МПа, противодавлении р = 1 лового отверстия гг, при МПа, 1 =.350 мм всех прочих равных условиях приводит к увеличению удельного потока жидкости и расширению границ факела (рис.
8.24). На основе обработки опытных данных А. С. Лышевский предложил формулы для расчета удельных потоков жидкости струйных форсунок для основного участка факела распыленного топлива: г))г)е = 347(!ге)х)г 1.Р ет%~~М 'ехР ~ — 1390(г)х)' Х х 1.р "% лМ-'1, (8.77) гДе де — УДельный поток жиДкости в начальном сечении факела; 1)— удельный поток жидкости иа расстоянии х; х — расстояние рассматриваемого сечения факела от среза сопла; Ер — второй критерий Лапласа; % — первый критерий Вебера; М = р,)р, — критерий, характеризующий инерционные свойства газовой среды и жидкости; г — радиальная координата.
Формула (8.77) получена при изменении критериев в пределах 1.р = (0,03 †: 0,135) 10', % = 1330 †: 20 300; М = (9,5 †: 28) )е х 10 '. При тех же пределах изменения критериев % и 1.р, но М = = (!,4 —: 9,5) 1О ' отношение д)г)е = !380(!ге)х)з?р ~'% еаМ е' ехр( — 55,5 !О' х х (г)х)'1.ро'% едМ~'1.
(8.78) Величина критерия % определяется по скорости истечения жидкости на срезе сопла. Для улучшения процесса смесеобразования используют струйные форсунки с соударяющимися струями. На рис. 8.25 представлено изменение относительных удельных потоков )г, в различныл 199 г радиальных сечениях факела. Под относительным удельным потоком понима- 00 ется отношение удельного потока через суммарную .Ог площадь приемных ячеек бп заборника в каком-либо радиальном сечении факебп гп и бп бп р арап ла к соответствующему удельному потоку в центРис.
8.28. Изменение относительного удела- раЛЬНОМ раднаЛЬНОМ СЕЧЕ- ного потока в главной плоскости факела нии ()))= О). Опытные данфорсунки со сталкивающимися струями ные получены при различмм), длинах струй (1 = 3 —: 7 мм) и переменных перепадах давления на форсунке (Арф — — 0,29 —: 5 МПа), Интересным является вывод, что скорость истечения (перепада давления на форсунках), диаметр и длина струи не влияют на распределение жидкости в главной плоскости факела форсунки с соударяющимися струями.
Распределение распыленной жидкости в радиальном направлении (рис. 8.26) показало, что относительный удельный расход д зависит только от угла соударения струй. По оси абсцисс на рисунке нанесены расстояния относительно главной плоскости, а по оси ординат — относительный удельный расход. Опыты показывают, что увеличение диаметра струй и скорости истечения приводит к незначительному уменьшению разброса жидкости в радиальном сечении факела, а также к улучшению равномерности распределения жидкости по мере удаления от среза сопла форсунки.
Проведенный анализ позволяет правильно подойти к проектированию струйных форсунок, а приведенные некоторые количественные данные позволяют сделать определенные предварительные расчеты. В заключение приведем эмпирическую формулу, полученную А. С. Лышевским, для определения половины корневого угла факела: 1да = с1Ча(.р'М"'. (8.79) При )и' = 1,33 ° 1О' —; 2 ° 10', 1.р = 0,135 104 —: 3 ° 10'1 М = (0,95 —: 2,8) 10 ' константы имеют следующие значения: с = = 0,0112; (г = 0,32; 1 = 0,07; т = 0,18. При тех же значениях ))(Г, 1.р, но при М = (1,4 —: 9) ° 10 з указанные константы: с = 0,00364; (г = 0,32; 1 = 0,0?; т = — О. Следует обратить внимание на то, что величина коэффициента с зависит от типа соплового аппарата и диапазона изменения критерия М.
На рис. 8.27 показаны поля распределения удельного потока жидкости относительно оси центробежной форсунки в зависимости от перепада давления на форсунке н расстояния от среза сопла форсунки. Жидкость по радиусу распределяется неравномерно, причем в отличие от струйной форсунки удельный поток жидкости на оси 200 О, г/(см'с/ 0,4 0 О) О, г/(см' с! ),г П,п йб П,4 04 -сг -гп -и а )4 гегмм 0 ной части факела каплями жидкости.
Увеличение угла распыливания также ведет к более равномерному распределению топлива в радиальном направлении. Следует отметить, что улучшение равномерности распределения жидкости за счет увеличения перепада давлений необходимо производить с учетом влияния перепада давлений на выходные характеристики ЖРД (масса ЖРД, удельный импульс и др.) и устойчивости рабочего процесса в камере сгорания (надежности).
При малых перепадах давления (малых скоростях истечения) форма факела близка к конической, с увеличением перепада давлений факел начинает сжиматься, приближаясь по форме к цилиндрической. Причина такого изменения формы факела заключается в следующем: за счет эжектирования газа из окружающей среды внутри факела уменьшается давление, т.
е. образуется разрежение. В результате изменяется траектория движения капель. Этот эффект снижается с увеличением угла факела распыленной жидкости и, как показывают экспериментальные исследования, при углах распылива- 20! форсунки близок к нулю. С увеличением расстояния от оси форсунки удельный поток жидкости возрастает, достигает максимума и далее постепенно убывает. С увеличением перепада давлений и расстояния от среза форсунки неравномерность уменьшается за счет заполнения централь- Рис. 8.28. Изменение относительного удельного потока в центральном радиальном сечен ив факел а фор суп к и со сталкивающимися струями в зависимости от радиуса при различных углах соудареиия струй при с)с=1,8 мм, Л рф = = 0,8 МПа; расстояние забор- нина от точки соударения струй 130 мм 0 -100 -120 -бп О бп )гп )Ппд,мм Рис.
8.27. Поля распределения удельных потоков распыленной жидкости для центробежной форсунки: а — прн разлхчамх перепадах дазлзназ на форсуххе 1) )20 нмн б — прн различных рзоотоххнхх от сопла 1ьрф 4 ми а) К,%а х,% 00 У00 200 угр 0 0) к,% 0,» 0,0 уг В,, 00 ния 100 — 110' он исчезает. На указанный эффект серьезное влияние оказывают термодинамические параметры Г1С, например давление в камере сгорания. Сравнение равномерности распределения жидкости, получаемой из струйной и центробежной форсунок, показывает, что с точки зрения организации рабочего процесса в камере сгорания центробежная форсунка предпочтительна. Весьма важная характеристика центробежной форсунки — распределение распыленной жидкости вокруг оси факела.
Опыт показывает, что существует ббльшая или меньшая неравномерность распределения жидкости вокруг оси факела, которая зависит от конструкции распылителя (конечное число входных каналов) и технологии его изготовления (эксцентриситет сопла по отношению камеры закручивания, различие в размерах отдельных входных каналов или в величине плеча закручивания, шероховатости на смачиваемых поверхностях форсунки и др.). Эти факторы влекут за собой нарушение симметрии потока жидкости в сопле. Взаимодействие факела распыенной жидкости с ПС вЂ” вторичный фактор, ухудшающий неравномерность, возникшую в форсунке.
На рис. 8.28, а изображено (по опытам С. А. Козберга) изменение коэффициента неравномерности К в зависимости от числа входных каналов и. У форсунок изменялось только число входных каналов при постоянной суммарной площади. Из рисунка видно, что с увеличением входных каналов от 1 до 2 — 3 резко уменьшается неравномерность, а начиная с 3 — 4 она практически не изменяется. Поэтому при проектировании форсунок число входных отверстий целесообразно делать от 2 до 4. Коэффициент неравномерности К растет прямо пропорционально величине эксцентриситета (рис.
8.29, б, в). Даже при небольших зна- 00 140 0 40, 00 !го МойгРаВ 0 от ог оз й» Дб Ллр,У»та У0. Рис. 8.29. Зависимость коэффициента неравномерности от: а — угла конуса на входе в сопла при аре 4 Мпа, расстояние ат среза сопла Г=100 ми, б — перенада давления прн рааличных расстояниях от среаа сопла чениях в, = 0,1 —; 0,15 мм значение коэффициента неравномерности выходит за допустимые пределы. Для уменьшения влияния этого фактора необходимо, чтобы относительный эксцентриситет е = еаЫо не превышал величины е = 0,075. Опыты показывают, что с увеличением геометрической характеристики форсунки труднее обеспечить равномерное распределение жидкости вокруг оси форсунки, требуется выдержать соосность камеры закручивания и сопла форсунки. Угол на входе в сопло также влияет на величину коэффициента неравномерности (рис.
8.29, а). С уменьшением эксцентриситета е, и угла входа в сопло Ь коэффициент неравномерности уменьшается. Уменьшение угла входа Ь приводит к увеличению пути жидкости от камеры закручивания до среза сопла. В результате из-за вязкости первоначальная неравномерность, возникшая в камере закручивания, ослабляется, уменьшает экецентричность газового вихря по отношению к оси сопла и, как следствие, неравномерность распределения жидкости. По технологическим соображениям делают угол Ьж 60'.
На рис. 8.29, б дана зависимость коэффициента неравномерности от перепада давления прн различных расстояниях от среза сопла. На небольших расстояниях от среза сопла перепад давления мало влияет на коэффициент неравномерности, так как капли не успевают потерять собственную скорость и, несмотря на влияние ПС, в этой части факела сохраняется распределение, близкое к начальному. Неравномерность на этих малых расстояниях определяется условиями течения в сопле. С повышением перапада давления на форсунке возрастает скорость эжектируемого газового потока, что приводит к перераспределению капель из одних участков факела в другие. В результате растет неравномерность с увеличением расстояния от среза сопла.
г 4 В н 0 000 Дм дг» В,,мм Рис. 8.28. Изменение коэффициентов неравномерности в зависимости от: а — числа входных каналов; б, а — величины эксцентриснтета сопла по отношению к ка- мере накручивания 202 й 8.9 СМЕШЕНИЕ КОМПОНЕНТОВ ТОПЛИВА В болыпинстве уКРД используются двухкомпонентные топлива с раздельной подачей. Для быстрого сгорания топлива необходимо, чтобы в каждой элементарной площадке поперечного сечения камеры 20Т Следует отметить, что степень проницаемости конуса распыливания в камеру сгорания зависит от шага между форсунками и концентрации капель в конусах распыливания.
Стремление улучшить равномерность распределения компонентов топлива по составу и по расходонапряженности в поперечном сечении камеры сгорания заставило расположить на головке камеры большое число смесительиых элементов. Поэтому расстояние (шаг) между форсунками небольшое, и конусы распыливания пересекаются в зоне, где концентрация капель чрезвычайно большая и конусы рас— пыливания можно считать непроницаемыми. Итак, основной поток капель после взаимос: — — ащ' у р р р у АД р р щ у Д у АД вЂ” и движутся параллельно осн камеры сгорания. Пространство между пучками капель заполнено также каплями, но со значительно меньшей концентрацией.
Следует подчеркРис 8 33 схема абра- путь, что желательно выбрать парам' ры зовавия обратных кон- ГОЛОВКИ КС И фОреуНОК таКИМИ, ЧтОбЫ КаК вективных токов можно быстрее пучки капель двигались параллельно оси КС. В этом случае быстрее выравнивается соотношение компонентов и получается равномернее расходонапряженность в поперечном сечении камеры сгорания. Особенностью гидродинамической картины вблизи головки камеры сгорания является наличие вихревого движения парогаза, которое сопровождается обратными конвективными токами ПС из зоны горения к головке (рис. 8.33).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
