Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.Л. Теория ракетных двигателей. 1989 г. (1241535), страница 49
Текст из файла (страница 49)
рис. 20.2, г). Расчет геометрических размеров форсунок с пересекающимися струями основан на условии, что угол направления суммарного количества движения компонентов к оси камеры сгорания равен нулю. Выбирая геометрические параметры форсунок такого типа для ЖРД на самовоспламеняющихся топливах, необходимо учитывать возможность разделения компонентов из-за интенсивного газообразования при быстром самовоспламенении на границе струй. Это явление приводит к ухудшению смешения компонентов, снижению полноты сгорания и ухудшению рабочих характеристик ЖРД. Вероятность разделения компонентов для форсунок с тонкораспыленными струями меньше, чем в случае форсунок со сплошными струями. 20.4.
ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ ФОРСУНКИ 20.4.1. Однокомпонентные центробежные форсунки Основные элементы конструкции центробежной форсунки показаны на рис. 20.9. Вследствие вращения (закрутки) потока в жидкости возникают значительные центробежные силы; 218 20.9. Принцнпивльная схема центрооежной форсрнии в выходном сечении форсунки образуется так называемый факел распыливания, имеющий вид конуса, илн, точнее, однополостного гиперболоида вращения, который затем распадается на капли. Жидкость на выходе из форсунки имеет осевую и тангенциальную составляющие скорости. Меняя геометрические параметры форсунки, можно в довольно широких пределах варьировать ее коэффициент расхода и угол факела распыла.
Теория простейшей центробежной форсунки предложена Г. Н. Абрамовичем. Рассматривается течение невязкой и несжимаемой жидкости в форсунке с одним тангенциальным каналом; принято, что вся масса входящей в камеру закручивания жидкости сосредоточена на оси входного канала. Из уравнения энергии и закона сохранения момента количества движения получены следующие зависимости для коэффициента расхода и среднего угла распыла центробежной форсунки: рф =- т сра((2 — ~) (20.6) 1ц аф = 2рфА!((1+ !х 1 — ср) — 4рфАя!Пя, (20.6) ,)1 а14 А (20.7) где ~р = г" /гф — коэффициент заполнения жидкостью выходного сечения сопла форсунки, А = )гахгф!г',х-- (20.8) геометрическая характеристика центробежной форсункн.
Зависимость параметров форсунки рф, хр и 2аф от ее геометрической характеристики показана на рис. 20.!О. Для получения среднего угла распыла 2аф —— 60 ... 100' нужны центробежные форсункн со значениями А = 1 ... 4. Коэффициент расхода рф для таких форсунок составляет 0,45 ... 0,15, т. е. значительно меньше, чем для струйных. Геометрия реальной форсунки может отличаться от геометрии простейшей центробежной форсунки наличием нескольких входных каналов, ось которых может быть наклонена под углом р к оси сопла форсунки, наличием завихрителя (шнека) и др. Эти отличия учитывают обобщением формулы для геометрической характеристики (20.9) л/ э где га = и' Р 7п — эквивалентный радиус; и — число входных каналов. Для шнековой форсунки а — число заходов резьбы шнека с углом наклона винтовой линии р; г",„— площадь проходного сечения одного канала.
2!9 20ДО. Расчетная зависимость сгф, Иф и гр от геометрической карантеристики центробежной форсунки При подаче реальной жидкости, обладающей вязкостью, из-за возникновения сил трения изменяются хв коэффициент расхода форсунки и угол распыла аф. Трение ослабляет эффект закручивания жидкости и, следовательно, уменьшает йа окружную составляющую скорости, ат одновременно несколько увеличивая осевую скорость. Впрыск более вязких жидкостей характеризуется большими значениями и меньшими — аф.
Подогрев жидкости и уменьшение ее вЯзкости пРиводЯт к соответствУющим изменениЯм (ьф и ав. Замкнутую систему уравнений, достаточную для расчета центробежной форсунки без привлечения дополнительных предположений, можно получить на основе уравнений динамики вязкой жидкости (уравнений Навье — Стокса). Однако имеющиеся работы в этой области пока лишь показывают принципиальную возможность получения решения и не доведены до метода расчета.
Поэтому основным путем получения данных о параметрах распыла и производительности центробежных форсунок при течении вязких жидкостесй служат эмпирические зависимости. Например, коэффициент расхода форсунки с тремя входными каналами в диапазоне изменения параметров (размеры в мм):г(© = 0,5 ... 2;с(,„ = 0,7,:... 1,51 0„= 3 ... 1О можно рассчитать по формуле Рицка Н. К.
и Лефевра рф = 0,028Р';„'/(г(ф0и„'"), где Є— суммарная площадь входных каналов (м'), значения с(йн О„подставляются в метрах. Тангенциальные каналы, соединяющие предфорсуночную полость с камерой закручивания, для обеспечения движения жидкости по касательной к стенкам камеры должны иметь определенную протяженность. Если длина канала недостаточна, то поток не успевает привять заданное направление и отклоняется к оси камеры закручивания. При этом момент количества движения уменьшается, значение рф становится больше по сравнению с полученными по формуле (20.5) и уменьшается аф. Отношение 1„/г(„(1„— длина входного канала, см.
рис. 20.8) может составлять примерно 0 ... 1,5. Число входных каналов и может изменяться от 2 до 1О ... 12. Длина камеры закручивания считается нормальной при соблюдении условия Н„()'.у„, увеличение длины камеры закручивания приводит к уменьшению окружной составляющей скорости (из-зй трения), увеличению (ьф и уменьшению аф.
Аналогичное влияние на эти параметры оказывает трение при увеличении отношения 220 й„„/гв. Форсунки многих ЖРД, выполненных ранее, имеют отношение Й,„/гв > 1, однако в последние годы широкое применение получили форсунки открытого типа, у которых Р,„/гв =! . Из многочисленных экспериментальных данных следует, что геометрия сопла форсунки практически не влияет на коэффициент расхода и сравнительно слабо влияет на угол распыла аь. Значение отношения /э/йв обычно составляет примерно 0,25.
20.4.2. Двухкомпонентиые центробежные форсунки В двухкомпонентную форсунку компоненты топлива— . горючее и окислитель — подаются в заданном соотношении й,„, так что 1+К тв = тв „„+ т⠄— гпв,„ зт где гив, гпь,,„и тв, „— соответственно секундные расходы топлива и компонентов. Двухкомпонентные форсунки можно рассматривать как сочетание двух форсунок разных компонентов. Различают форсунки с внутренним и внешним смешиванием компонентов.
Для несамовоспламеняющихся топлив обычно применяют форсунки с внутренним смешиванием, в которых компоненты смешиваются в камере форсунки и подаются в огневое пространство камеры в виде одной жидкости. Двухкомпонентные форсунки с внешним смешением применяют для самовоспламеняющихся топлив. Форсунка такого типа представляет собой совокупность внешней форсунки, служащей обычно для подачи горючего, и внутренней — для подачи окислителя.
В завнсимосги от геометрических параметров внешней и внутренней форсунок, взаимного расположения торцов сопел и соотношения скоростей истечения компонентов конусы распыливания могут либо пересекаться, либо не взаимодействовать друг с другом. Параметры внешней и внутренней форсунок должны быть родобраны таким образом, чтобы пересечение конусов распыла происходило на определенном расстоянии до сопла либо за соплом форсунки. В качестве внешней форсунки используется центробежная форсунка, у которой внутри газового вихря с радиусом г, располагается совло внутренней форсунки с наружным радиусом сопла г, „. Обычно сначала рассчитывают параметры и геометрическую характеристику А, внешней форсунки и прн последующем расчете внутренней форсунки проверяют выполнение условия г, ) г„.
„, внося при необходимости коррективы в ее геометрические раз- ~/еры. Так как отношение радиуса газового вихря г, к внутреннему радиусу сопла г,. внешней форсунки также определяется ее геометрической характеристикой А,. то внешнюю форсунку выполняют либо открытой, либо с небольшим отношением й„/гв 221 (менее трех). Желательно, чтобы превышение диаметра газового вихря г, внешней форсунки над наружным диаметром внутренней форсунки г, „было возможно меньшим, так как в противном случае возможен прогар внутренней форсунки в результате проникновения к ее поверхности по газовому вихрю горячего газа из камеры сгорания.
Допустимо и несколько меньшее значение радиуса вихря по сравнению с наружным радиусом сопла (г, ( ( гс, н) 20.З. СТРУЙНО-ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ ФОРСУНКИ Струйно-центробежные форсуики могут выполняться однокомпонентными и двухкомпонентными. Условно такие фор-, сунки можно рассматривать как комбинации двух независимых форсунок: внешней — центробежной и внутренней — струйной (см. рис.
20.2, д); внешней — струйной и внутренней — центробежной (см. рис. 20.3, г). Для форсунок типа показанных на рис. 20.2, д сначала рассчитывают параметры внешней форсунки так, чтобы струя на выходе из внутренней форсунки могла разместиться внутри газового вихря внешней форсунки. За счет различной дальнобойности и углов распыла струйной и центробежной форсунок представляется возможным рассредоточивать процесс горения по длине камеры сгорания.
Распределение расходов между струйным и центробежным каскадами двух однокомпонентных форсунок определяют экспериментально исходя из условий обеспечения устойчивости и завершенности рабочего процесса. Доля струйного распыла однокомпонентных форсунок может достигать 30 00 и более. Гл А В А ХХ$. ОЦЕНКА СОВЕРШЕНСТВА ПРОЦЕССОВ В СОПЛЕ 21.1. КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА СОВЕРШЕНСТВА ПРОЦЕССОВ Действительный процесс течения в сопле происходит с заметным отличием от принятой в гл. )У схемы идеального процесса.
Это вызывает отклонение значений действительных параметров продуктов сгорания в сопле от идеальных и приводит к уменьшению (потерям) удельного импульса в пустоте и тяги по сравнению с идеальными значениями этих величин. Потери в сопле вызываются различными по своей природе газодинамическими и физико-химическими процессами, из которых определяющими являются следующие. Тяга камеры, как известно, определяется распределением давления по ее контуру. Для идеального процесса течения принято, что этому распределению соответствует одномерный поток 222 продуктов сгорания на выходе из сопла, по параметрам такого потока и вычисляют тягу. В выходном сечении конических и профилированных сопел вектор скорости, давление и другие параметры газа могут заметно изменяться в направлении от оси сопла к стенке, и распределение давления по контуру соответствует этому неодномерному потоку на выходе.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
