Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.Л. Теория ракетных двигателей. 1980 г. (1241533), страница 48
Текст из файла (страница 48)
— М.1 Мыпиностроеиие, 1978. струйные головки двигателей часто выполняют так, что в каналах реализуется течение типа (в) н (г) (рнс. 18.3). На переход от безотрывного к отрывному течению в таких форсунках влияют условия на входе (поперечная по отношению к осн форсунки скорость потока), геометрия и перепад давлений. Кроме них, влияют и другие факторы, например, температура компонента, давление н плотность среды, куда производится впрыск, наличие фасок н округлений входных кромок, качество поверхности и пр. В зависимости от отношения 1/И (см. рнс.
18.1) возможны различные режимы течения в форсунке. При наличии острой кромки во входном сечении при 1(1(~1,5 течение характеризуется неустойчивостью, так как область сужения (см. рнс. 18.3, и, г) оказывается либо незамкнутой, либо замыкается на различных расстояниях от среза сопла в зависимости от ряда случайных факторов. Течение при 177()1,5 является замкнутым и стабильным. Для расчета гидравлического сопротивления в данном случае может быть использована формула Ар=~ — "+й+ 11 ~'", (18. 4) 10 / 2 где Х вЂ” коэффициент трения, вычисляемый по известным формулам гидравлики в зависимости от режима течениу; А=О,1 ... 1 — коэффициент, учитывающий потери на начальном участке форсунки. С использованием формул (18,3) и (18.4), расчетных или экспериментальных зависимостей для Х и Й, можно рассчитать зависимость вила рф=)(ке, ЦИ). Пример такой завнсурмости, удовлетворительно совпадающей с экспериментальными данными, показан на рис.
18.4*. При 1/д>1,5 в форсунке может возникнуть кавитация, если в потоке имеется узкое сечение с повышенной скоростью н, следовательно, с пониженным давлением. Сужение потока возникает прн наличии острой кромки во входном сечении, либо конического участка с углом конусности более 20'.
Кавитацня развивается в области сужения потока и ее появление (например, при проливке в атмосферу) приводит к снижению коэффициента расхода. На развитие кавитации влияет ряд факторов: отношение 1/4 число 1хе, геометрия входа и др. Некоторые зависимости для расчета рф в случае течения с кавитацней, рекомендации по исключению такого режима течения в струйных форсунках либо уменьшению его влияния на рф даны в той же работе. Например, если входной участок форсункн выполнять со скругленными кромками, илн коническим с углом конуса менее 20' н относительной длиной конического участка более 1а/И)1,5, то кавнтацня либо не наступает, либо ее влияние несущественно. Прн проектировании форсунок отношение 1/с/ может изменяться в широких пределах: от одного до нескольких калибров, диаметр форсунок для жидкости прннимают до 3 — 6 мм; коэффициент расхода может составлять 0,65 — 0,85, а угол распыла 2счр='10...15'.
Расчет параметров как струйных, так и центробежных форсунок для подачи генераторного газа (или газообразного компонента) при заданном расходе пьр можно выполнить по формуле (18.3), т. е. беэ учета сжимаемости газа. Это оправдано, так как обычно скорость движения газа невелика (К~0,2) н сжимаемостью можно пренебречь. ~а а т.
двихкомпонвнтвыв сттивныв еовсиики При работе двигателя с дожиганием продукты газогенерации после привода турбины поступают в камеру сгорания. Для подачи газообразного и жидкого компонентов могут быть применены как однокомпонентные, так н двухкомпонентные форсунки. Некоторые схемы двухкомпопентных газожидкостных форсунок показаны на рис.
18.2. Расчет глубины внедрения жидкости в поток газа для форсунки типа рнс. 18.2, б основывается на результатах экспериментального и теоретического исследования формы струи в сносящем потоке. Различные зависимости для расчета координат струи в сносящем неограниченном потоке приведены в книге Г. Н. Абрамовича в.
Например, для расчета координат (см. рнс. 18.2) оси струй жидкости нередко пРименяются эмпирические формулы вида где а — эмпирическая константа„близкая к единице; И вЂ” диаметр отверстия для впрыска жидкости; о , гв — плотность и скорость * Абрамович Г. Н. Теория турбулентных струй.— М.: Физматгиз, 19бз. жидкости в начальном сечении струи; р — угол между направлением оси отверстия и направлением сносящего потока; 1(р) — некоторая функция, обычно тригонометрическая, угла р, например 1(р) = =с1п 11. В случае газожндкостных форсунок приходится иметь дело со струей, втекающей в поток, ограниченный стенками. В этом случае, как показывают опыты, при том же отношении скоростных напоров в струе и потоке искривление струи усиливается, по сравнению со впрыском в неограниченный поток.
Расчет по формулам такого типа проводится с целью определения относительного внедрения струи жидкости в поток у=у/Ыф на некотором условном расстоянии х от сопла газожидкостнои форсункн. Величина у является функцией геометрических параметров форсунки и отношения скоростных напоров. По результатам испытаний камеры сгорания можно установить корреляционные связи между параметрами внедрения, экономичности и устойчивости камеры.
Эти связи используют для выработки рекомендаций по проектированию газожидкостных форсунок. При сценке перепада давлений по газовой и жидкостной полостям форсунки необходимо учитывать дополнительные гидравлические потери от взаимодействия струй газа и жидкости и горения внутри форсунки.
Коаксиальные форсунки (см. рис. 18.2, а) являются разновидностью струйных форсунок, При коакснальном вводе струя одного компонента (в жидком или газообразном состоянии) окружена струей другого компонента. Такие форсупки нашли применение для кислородно-водородных ЖРД в США. Жидкий кислород подводится по цилиндрическому каналу, газообразный водород— по кол ь пса ом у. При расчете геометрических размеров форсунки необходимо предусматривать большую разницу в скоростях истечения компонентов из форсунки (скорость горючего должна в несколько раз быть больше скорости окислителя). Это необходимо как для устойчивости рабочего процесса, так и для распыления жидкого компонента (распыление происходит прп обмене количествами движения между компонентами).
При выборе геометрических параметров коаксиальной форсунки необходимо также иметь ввиду, что устойчивость и завершенность рабочего процесса в значительной мере зависит от степени заглублення торца внутренней форсунки Ь (см. рис. 18.2,а). 18.3. ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ ФОРСУНКИ 1к з.
ь одиокомпоивнтиые цвнтеоввжвыв еоесуика Основные элементы конструкции центробежной форсунки показаны на рис. 18.5. Вследствие вращения (закрутки) потока в жидкости возникают значительные центробежные силы. В результате в выходном сечении форсунки образуется так называемый факел распыливания, имеющий вид тонкой конической пленки, которая затем распадается на капли. Жид-' . % кость на выходе из форсунки имеет как осевую, так и тан- хв генциальную составляющие скорости.
Меняя геометрические параметры форсунки, можно в довольно широких пределах варьировать ее 2Р коэффициентом расхода и углом факела распыла. Рнс. 28.5, Рассеевая скена ненеробеивоа йарсхвкн Рассмотрим теорию простейшей центробежной форсунки в предположении, что впрыскиваемый компонент топлива представляет собой невязкую и несжимаемую жидкость. Условная расчетная форсунка имеет один тангенциальный входной канал. Примем, что вся масса .входящей в камеру закручивания жидкости сосредоточена на оси входного канала. Скорость жидкости во входном канале в2, является при этом окружной скоростью на входе в камеру закручивания.
Радиус вращения массы жидкости относительно оси форсунки обозначим через 12„. При отсутствии трения и местных сопротивлений течение в форсунке подчиняется закону сохранения момента количества движения. Кроме того, не изменяется и энергия движущейся жидкости. Для некоторой частицы жидкости с постоянной массой можно так записать уравнения сохранения момента количества движения и энергии: 2В )Г =2В„Г; (18. 5) 2 2 2 Р 2"Х сои Рок саек — + — + — = — + — "=сова(, (18. 6) вн 2 2 а 2 где ш, га„— соответственно осевая и окружная составляющие скорости некоторой частицы жидкости; р †статическ давление на выходе из сопла; г — радиус вращения частицы относительно оси форсунки.
Из уравнений (18.5) и (18.6) следует, что по мере приближения к оси сопла (г — о4)) окружная составляющая скорости ш„стремится к бесконечности, а давление жидкости — к бесконечно большому отрицательному значению, что противоречит физическому смыслу. Фактически давление жидкости снижается лишь до давления среды, в которую производится впрыск (прн впрыске в камеру сгорания до давления р,).
Область с давлением, равным давлению среды, не заполнена жидкостью и вращается, образуя вихрь с диаметром 2(н. По высоте газовый вихРь заполнЯет всю камеРУ закРУчиваниЯ. Поэтому истечение жидкости происходит лишь по площади кольца, примыкающего к стенкам сопла форсунки.
Отношение площади сечения, заполненного жидкостью, к геометрической площади сопла форсунки называют коэффициентом за пол пения, т.е. Ч=~.~Г.=1 -(г1;~. (18. 7) Итак, по мере приближения к оси сопла окружная составляющая скорости возрастает, достигая на границе газового вихря наибольшего значения а„,. Выясним теперь распределение осевой составляющей скорости жидкости в выходном сечении сопла. Выделим в этом сечении кольцевой элемент жидкости с радиусом г и толщиной пг с боковой поверхностью, равной единице.
При вращательном движении жидкости на выделенный элемент действует центробежная сила, которая уравновешивается перепадом давлений на боковых поверхностях элемента, т. е. й а1„11г/г=4р. (18.8) Продифференцируем уравнение (18.5), имея ввиду, что зт,„, а1э, =сопз1. В результате получим /г/г= — «%с/~и, и после подстановки этого равенства в выражение (18.8) получим а2 ~ Ы р+ — ") =О, т. е.
р/о +тв„/2=сопз1. Сравнивая это выражение с уравнением (18.6), заключаем, что и'„/2 = сопз1, (18. 9) После поДстановок г~, 1э„в фоРмУлУ ДлЯ 1э„э полУчаем Рг~ агав= г — %к г г1 — т ,, 11,гэ %,в — — А . твдз А= 1'1 — т гх (18. 10) Безразмерная величина А зависит лишь от геометрических параметров форсунки. Эта величина играет важную роль в проектировании и расчете центробежных форсунок. Ее принято называть геометрической характеристикой центробежной фор.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
