Гидравлический расчет ядерной однокомпонентной форсунки окислителя

Проектирование форсуночной головки

Цель работы

Разместить форсунки на форсуночной головке так, чтобы это способствовало выполнению основных требований, предъявляемых к смесеобразованию, обеспечивая при этом надежность и технологичность конструкции КС. А именно:

• наиболее равномерное распределение по сечению КС форсунок;

• возможно меньшая склонность к возникновению неустойчивого горения в КС;

• защита стенок КС от прогара;

• защита стенок КС от воздействия высоких тепловых потоков, идущих от фронта пламени.

• удобство подвода компонентов.

Введение

Исследования показали, что распределение соотношения компонентов топлива и расходонапряженности КС, полученное непосредственно у форсуночной головки, практически сохраняется вдоль всей КС и сопла двигателя. В свою очередь неравномерность распределения соотношения компонентов и расходонапряженности по сечению КС влияет на удельную тягу двигателя.

Сотовое расположение, при котором  каждая форсунка горючего окружена группой окислительных форсунок, позволяет иметь большее число форсунок окислителя, чем горючего. При этом разница в расходах форсунок окислителя и горючего меньше, чем при шахматном расположении, что обеспечивает лучшее распыление и смешивание компонентов топлива.

Для защиты стенок КС от прогара создается защитный пристеночный слой, обогащенный горючим и имеющий вследствие этого более низкую температуру, чем ядро потока. Следует отметить, что пристеночный слой с большим избытком окислителя также имел бы температуру ниже температуры ядра потока и, по-видимому, являлся бы вполне удовлетворительным защитным слоем. Однако опасность возникновения местных очагов горения у стенки в окислительной среде и прогара стенок вследствие окисления металла приводит к тому, что предпочтение отдается пристеночному слою, обогащенному горючим. Для этого на форсуночной головке либо устанавливается специальный периферийный пояс форсунок горючего, либо крайние форсунки окислителя заменяются форсунками горючего. Периферийные форсунки горючего обычно делаются более дальнобойными и с меньшим расходом, чем основные (ядерные) форсунки. Шаг между периферийными («защитными») форсунками и их местоположение подбирается так, чтобы обеспечить равномерную толщину пристеночного слоя по всему периметру КС.

Расходы через однокомпонентную форсунку находятся в пределах 30 – 300 г/сек, а для периферийных форсунок могут быть меньше.

Струйная форсунка в простейшем виде представляет собой отверстие в головке КС двигателя, соединяющее полость горючего или окислителя с КС.

Основными достоинствами струйных форсунок являются:

• простота выполнения;

• большая пропускная способность форсуночной головки со струйными форсунками.

Однако крупным недостатком струйных форсунок является их относительно большая дальнобойность и малый угол конуса распыла; тонкость распыления струйных форсунок меньше, чем у центробежных. Кроме того, из-за каналов для подвода компонентов к струйным форсункам головка часто получается относительно тяжелой.

Расчет

 Исходные данные

Схема ЖРД                                                                                           открытая

Топливо                                                                                                  Кислород + НДМГ

Коэффициент динамической вязкости окислителя                         η_ОК = 0,2⋅10⁻³ Н ⋅с/м² 

Коэффициент динамической вязкости горючего                             η_Г =0,51⋅10⁻³ Н ⋅с/м² 

Плотность окислителя                                                                         ρ_ОК =1142 кг/м³ 

Плотность горючего                                                                             ρ_Г =808 к/ м³

Диаметр камеры сгорания                                                                              D_K = 0,36 м

Согласно рекомендациям для данного типа форсунок

определяется шаг                                                                                  S_ф=12..30 мм, D_Ф = 6...10 мм

Выбираем

шаг между форсунками                                                                         S_Ф =12 мм

наружный диаметр корпуса форсунки                                              D_Ф =8 мм

Проверка. Должно выполняться следующее условие:

 условие выполняется.

Определяем размер перемычки

Проверка. ∆ф =4 мм, что больше минимального значения (∆ф_мин=2) - условие выполняется.

В масштабе 1:2 вычерчиваем схему размещения форсунок на форсуночной головке проектируемой КС. Форсуночная головка представлена на рис.1.

Рис.1.Форсуночная головка

Сформировав форсуночную головку КС прорисовкой, простым подсчетом определяем количество форсунок окислителя и горючего в ядре и пристеночном слое. Получено:

n_{Ф. ОК.Я} = 362 шт.; n_Ф.Г.Я = 187 шт.; n_Ф.ОК.ПС =48 шт.; n_Ф.Г.ПС =76 шт.

Расход через отдельные форсунки в ядре определяем по формулам:

Расход через отдельные форсунки в пристеночном слое:

После расчета расходов в отдельных форсунках осуществляем проверку полученных результатов согласно рекомендациям:

Ядерные форсунки

Геометрический расчет ядерной однокомпонентной форсунки окислителя 

Определяем внутренний диаметр камеры закручивания отдельной форсунки:

D_КЗ = D_Ф − 2⋅ h_ст = 8 − 2⋅1,5 = 5 мм,

где: h_ст - толщина стенки форсунки (h_ст =1…1,5 мм). Принимаем: h_ст =1,5 мм 

Задаемся числом входных отверстий и диаметром входа в форсунку из условий:

i= 2...6; d_BX = 0,5...2,5 мм .

Принимаем: i = 4, d_BX = 1 мм.

Прорисовываем поперечное сечение форсунки в масштабе 10:1, и проверяем

по чертежу соотношение: l_ВХ/d_ВХ = 1,5…3;

Получено:

Вывод: при выбранных параметрах форсунки необходимое соотношение l_ВХ/d_ВХ выполняется.

   Рис.2. Поперечное сечение форсунки в масштабе 10:1

Определяем радиус плеча закрутки вихря по формуле:

Определяем диаметр сопла форсунки, из условий:

для форсунки открытого типа d_C = D_КЗ .

для форсунки закрытого типа

Проверяем возможность применения форсунки закрытого типа (более тонкий

распыл). Итак, определяем диаметр сопла форсунки из условия:

 отсюда находим r_с=1, 5 мм, d_с=3 мм

Вывод. Расчетный минимальный диаметр сопла форсунки превышает 2,5 мм. Это

означает, что форсунку закрытого типа для проектируемой КС применить

невозможно. Итак, выбираем форсунки открытого типа и продолжаем расчет.

Для форсунки открытого типа принимаем условие d_C = D_КЗ =5 мм.

Гидравлический расчет ядерной однокомпонентной форсунки окислителя

 Для выбранных размеров рассчитываем геометрическую характеристику

форсунки по формуле:

По графику зависимости (рис. 146) от А для форсунки окислителя находим:

µ=0,14; ϕ = 0,36; 2α = 105°.

Зная секундный расход единичной форсунки О, определяем перепад давления

на форсунке О:

где: FC – площадь сопла форсунки О:

В качестве критерия оценки правильности расчета выступают данные

статистики по перепаду давлений на форсунках. Необходимо, чтобы перепад

давлений на форсунках находился в диапазоне:

Проверка: расчетное – условие выполняется.

Схема проектируемой форсунки О представлена на Рис. 2.

Проверочный расчет ядерной однокомпонентной форсунки окислителя

Проверяется влияние вязкости жидкости (окислителя) на параметры

форсунки. 

Определяем геометрическую характеристику форсунки с учетом вязкости. В

качестве окончательной проверки по графику (рис.3.) находим новый угол конуса

распыла проектируемой форсунки, который должен лежать в пределах:

α20 6...021=° °.

Для учета вязкости определяем так называемую эквивалентную

геометрическую характеристику форсунки А′_ЭКВ.ОК первого приближения:

где: λ - коэффициент трения жидкости о стенку:

где Re – число Рейнольдса

ПРИМЕЧАНИЕ. В формуле расчета А′ЭКВ.ОК для форсунки открытого типа

значения параметров скобки (R ВХ − rС )должны выбираться по чертежу поперечного

сечения этой форсунки, выполняемому строго в масштабе согласно расчету.

Определим относительную разность значений геометрических характеристик

А и А′ЭКВ.ОК Получаем:

Полученное отклонение лежит в допустимых пределах (5%), следовательно,

перерасчета форсунки не требуется, так как влияние вязкости жидкости на работу

форсунки незначительно.

 Примечание. Далее по той же методике производится расчет ядерной форсунки

горючего.

Оценка тонкости распыла форсунок

Тонкость распыла форсунок, оценивается средним диаметром капель:

У центробежных форсунок диаметр капель обычно составляет (25...250)⋅10−6 м . При

выполнении этого условия тонкость распыла считается достаточной. Расчет

проводится и для форсунки О, и для форсунки Г.