Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.Л. Теория ракетных двигателей. 1989 г. (1241535), страница 48
Текст из файла (страница 48)
Чаще всего используют среднемассовый (Н„), среднеобъемиый (И ) и средний объемно-поверхностный йу„) диаметры. 2!3 адата 20Л. Массовые кривые распределения жидкости при распылении центробеж- ной форсункой 44 Применяют также м е д и а ни ы й д и а м е т р, определяемый из условия, что относительная масса капель, диаметр которых аг дв пр гор днкн меньше или равен медианному, составляет 0,5 (см.
рис. 20.4). Медианный диаметр капель с(„, при использовании центробежных форсунок составляет обычно 25 ... 250 мкм, при использовании струйных — 200 ... 500 мкм. Следует отметить, что в условиях ЖРД изменение с( в указанных пределах практически не влияег на степень завершенности рабочего процесса, а влияет главным образом на устойчивость (см.
гл, ХХ к'П). Медианный диаметр капель жидкости, распыливаемой конкретной форсункой, наиболее существенно зависит от перепада давлений на форсунке (определяет скорость ш ) и вязкости жидкости. Влияние перепада давлений на медианный диаметр капель видно на рис. 20.4. При одинаковом перепаде давлений на форсунке распыл более вязкой жидкости является менее тонким; впрыск в более плотную среду обеспечивает уменьшение среднего диаметра капель. Такие показатели процесса распыления, как форма факела и дальнобойность его, связаны с тонкостью и однородностью.
Так, стремление получить большой угол распыла за счет изменения конструктивных параметров центробежной форсунки приводит к уменьшению коэффициента расхода форсунки. Последнее означает уменьшение толщины пелены жидкости, выходящей из форсунки, и, следовательно, более тонкое распыление. Дальнобойность факела при этом уменьшается не только из-за увеличения угла выхода из форсунки, но главным образом из-за очень развитой поверхности топливного факела.
В прямой зависимости от поверхности факела находится величина сил сопротивления среды, которые уменьшают дальнобойность факела. Кроме того, дальнобойность факела может изменяться за счет столкновения факелов разных форсунок. Важной характеристикой процесса распыления является распределение жидкости по радиусу и окружности топливного факела (рис. 20.5 и 20.6).
В большинстве случаев форсунки не обеспечивают равномерного распределения жидкости в факеле. На рис. 20.5 приведены эпюры расходонапряженности вдоль радиуса факела для двух значений расстояния от сопла. Типичным для работы струйной форсунки (см. рис. 20.5„а) является максимум расходонапряженности на оси, для центробежной (см. рис. 20.5, б) — минимум на оси и максимумы на некотором удале;, нии от нее. Подобное распределение расходонапряженности объясняется формой факела у соответствующих форсунок. По мере 2И Фасовавввв ан ввв Иврйтвв Рвггтввввв вт тв твдсувви в Мвгр Ы ГР йб Р йб ГР 11 1ртв 20.0. Диаграммы распределения рас.
ходонапряженности центробежной форсункой с тремя входными наналами: — л 1в =оаз; — —— аху ф Нвхl ф 20тй Эпюра расходонапряженности вдоль радиуса факела для двух рас- стояний от сопла (1а ) 1,): а — струакае форсунка; б — нентрсбеж- наа форсунка удаления от сопла эпюры расходонапряженности становятся более сглаженными. Если неравномерность распределения жидкости по радиусу для указанных типов форсунок обусловлена принципиальными особенностями распыления, то неравномерность распределения по окружности (см. рис.
20.6) зависит главным образом от конструктивных особенностей форсунки, например, от раскрытия центробежной форсунки вс,„/гф и числа входных каналов. 20.3. СТРУЙНЫЕ ФОРСУНКИ 20.3.1. Однокомпонентные струйные форсунки Из струйных форсунок жидкость (газ) выходит в виде одной или нескольких струй. Возможны различные конструкции таких форсунок и характер истечения струй жидкости. Головки двигателей со струйными форсунками часто выполняют так, что в каналах форсунок реализуется течение типа, показанного на рис.
20.7, а и г. На переход от безотрывного течения к отрывному в таких форсунках влияют условия на входе (поперечная по отношению к оси форсунки скорость потока), геометрия форсунки и перепад давлений. Кроме них влияют и другие факторы, например, температура компонента, давление и плотность среды, куда производится впрыск, наличие фасок и скруглений входных кромок, качество поверхности и др.
В зависимости от отношения !гс1 (см. рис. 20.7) возможны различные режимы течения в форсунке. При наличии острой кромки во входном сечении при Ы ( ),5 характерно неустойчивое течение, так как область сужения (см. рис. 20.7, в, г) оказывается либо незамкнутой, либо замыкается на различных рассто- 2!5 20.7. Раэновидностн истечения струй жидкости: а — отверстие с острмми кромками; б — отверстие со скругленными кромками: е — канал с ост. рмми кромквми н большим отношением длины к диаметру: е — ивнвл с отрывом потони: д— трубка Вентури 20.8.
Зависимость коэффициента расхода струйной форсунки от ме и гпт' 05 йе 47 йг йу га сну дто айгр йге яниях от входного сечения в зависимости от действия случайных факторов. При 11б( > 1,5 область сужения становится замкнутой, а положение ее стабильным. Для расчета гидравлического сопротивления в данном случае может быть использована формула ( Ы + ) 2 (20.4) где $ — коэффициент трения, вычисляемый по известным форму'- лам гидравлики в зависимости от режима течения; й = 0,1, 1 коэффициент, учитывающий потери на начальном участке форсунки (участке гидродинамической стабилизации).
По формулам (20.3) и (20.4) с привлечением расчетных или экспериментальных данных для $ и й можно рассчитать зависимость вида 1хф = 1(Яе, 1/с(). Пример такой зависимости, удовлетворительно совпадающей с экспериментальными результатами, показан на рис. 20.8 *, При И > 1,5 в форсунке может возникнуть кавитация, если при течении поток сужается и движется с повышенной скоростью и, следовательно, с пониженным давлением. Сужение потока возникаег, если входной канал имеет острую кромку либо при наличии конического участка в канале с углом конусности более 20'. Капитания развивается в области сужения потока, и ее появление (например, при проливке форсунок в атмосферу) прис ' Сточек Н.
Ц., Шапиро А.С. Гидравлика жидкостных ракетных двигателей Мл Машиностроение, 1978. 128 с. 2!8 водит к снижению коэффициента расхода. На развитие кавитации влияет ряд факторов: отношение Ы, число це, геометрия входа н др. Например, если входной участок форсунки выполнять со скругленными кромками или коническими с углом конуса менее 20' и относительной длиной конического участка более 1„Ы ) ) 1,5, то кавитация либо не наступает, либо ее влияние несущественно. При проектировании форсунок отношение И назначают в широких пределах: от одного до нескольких калибров, диаметр форсунок для жидкости — до 3 ... 6 мм; коэффициент расхода может составлять 0,65 ... 0,85, а угол распыла 2аь — — 1О ...
!5'. Расчет геометрии канала струйной форсунки для подачи генераторного газа (нли газообразного компонента) при заданном расходе гпф и известных параметрах газа на входе в форсунку и перепаде давлений Арф можно выполнить по соотношениям газовой динамики одномерного потока (см. гл. ЧП) и уравнению расхода гпф — — рвРер„в„. 20.3.2.
Двухкомпонентные струйные форсунки Прн работе двигателя с дожиганием продукты газо- генерации после привода турбины поступают в камеру сгорания: Для подачи газообразного и жидкого компонентов могут быть применены как однокомпонентные, так и двухкомпонентные форсунки.
Некоторые схемы двухкомпонентных газожидкостных форсунок показаны на рис. 20.3. Расчет глубины внедрения жидкости в поток газа для форсунки типа показанной на рис. 20.3, б основывается на результатах экспериментального и теоретического исследования формы струи в сносящем потоке. Различные зависимости для расчета координат струи в сносящем неограниченном потоке предложены в книге Г. Н. Абрамовича. Например, для расчета координат (см. рис. 20.3) оси струи жидкости нередко применяются эмпирические формулы вида 2 — „= а '," ®+фф), Р~ ж где а — эмпирическая константа, близкая к единице; с( — диаметр отверстия для впрыска жидкости; р, ге — плотность и скорость жидкости в начальном сечении струи; 5 — угол между направлением оси отверстия и направлением сносящего потока; 1 ф)— некоторая функция угла 5, например 7 (5) = с1д 5.
В случае газожидкостиых форсунок приходится иметь дело со струей, втекающей в ограниченный стенками поток, Как показывают опыты, при одинаковых отношениях скоростных напоров в струе и потоке искривление струи в ограниченном потоке оказывается сильнее по сравнению с впрыском в неограниченный поток. При оценке перепада давлений по газовой и жидкостной 217 полостям форсунки необходимо учитывать дополнительные ги. дравлические потери от взаимодействия струй газа и жидкости и возможного горения внутри форсунки. К о а к с и а л ь н ы е форсунки (см. рнс, 20.3, а) являются разновидностью струйных форсунок. При коаксиальном вводе струя одного компонента (в жидком или газообразном состоянии) окружена струей другого компонента. Такие форсунки нашли применение для кислородно-водородных ЖРД в США.
Жидкий кислород подводится по цилиндрическому каналу, газообразный водород — по кольцевому. При расчете геометрических размеров форсунки необходимо предусматривать значительную разницу в скоростях истечения компонентов из форсунки (скорость горючего должна быть в 15 ... 20 раз больше скорости окислителя). Это необходимо как для устойчивости рабочего процесса, так и для распыления жидкого компонента (распыленне происходит при обмене количествами движения между компонентами). При выборе геометрических параметров коакснальной форсунки необходимо иметь в виду, что устойчивость и завершенность рабочего процесса зависят также от степени заглубления торца внутренней форсунки Ь (см. рис.
20.3, а). Для подачи компонентов в камеру сгорания находят применение форсункн типа изображенных на рис. 20.2, г, д. Струи компонентов соударяются вблизи торца форсунки. В частности, такие форсунки используются в США для ЖРД систем орбитального маневрирования и реактивного управления космическими ЛА. Окислитель подводится через центральное отверстие, горючее— через боковые (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
