Определение потребного объема и расчет размеров КС

Цель расчета

Определение потребного объема КС. Определение линейных и поперечных размеров КС.

      

                                                Общие сведения

За объем камеры сгорания V_КС принимается объем внутренней полости КС от форсуночной головки до критического сечения КС, рис.1.

Потребный объем камеры сгорания V_КС – это объем, при котором обеспечивается полное сгорание топлива за время τ_пр.
Величина V_КС может быть найдена двумя способами по приведенной длине L_пр и по времени τ_пр пребывания продуктов сгорания в КС.

 

Выполнив два расчета V_КС, требуется согласовать параметры τ_пр и L_пр.

 

Рис.1. Расчетная схема камеры сгорания

Основными линейными размерами КС являются размеры, представленные на схеме, рис.2.

Рис.2. Расчетная схема продольных размеров камеры сгорания

 

Расчет

Исходные данные

Расход топлива единичной КС ДУ                                                

Давление в камере сгорания ДУ                                                      р_к = 6 МПа,

Молекулярный вес продуктов сгорания                                         μ_к = 26,9 кг/моль,

Температура продуктов сгорания                                                    Т_к = 3143 К,

Площадь критики                                                                              F_кр = 0,022 м²,

Время пребывания продуктов сгорания в КС                                τ_пр = 1,9∙10^-3 с,

Приведенная длина КС                                                                     L_пр = 1,2 м,

Диаметр камеры сгорания                                                                 D_к = 0,292 м,

Диаметр среза сопла                                                                           D_а = 1,134 м.

 

Решение

По данным статистики Lпр = 1…3 м, примем Lпр =1,2 м.

Потребный объём КС, используя статистические данные по параметру L_пр

 

По данным статистики τ_пр = (1…5) ∙ 10^-3 с …3 м, примем τпр =1,9∙10^-3 с.

Потребный объём КС, используя статистические данные по параметру τ_пр

 

Выбираем потребный объём КС, , из условия: . При этом получено

Принимая, что , уточняем значение параметра

Объём сходящейся части сопла (вход в сопло)

,

где L_вх - длина входа в сопло, d_кр -диаметр критики:

.

Объём цилиндрической части камеры сгорания

Длина цилиндрической части камеры сгорания

Обычно стремятся получить L_ц ≈ D_к , проверим выполнения этого условия
L_ц ≈ D_к = 0,293 м ≈ 0,292 м
По данным статистики  

Высота форсуночной головки КС

Продольные размеры камеры сгорания и ДУ

где - длина раструба сопла, была найдена ранее.

Изобразим камеру сгорания с найденными продольными размерами в масштабе 1:10 (рис.3).

 

 

 

 

Рис.3. Схема камеры сгорания М1:10

 

 

           

 

Проектирование форсуночной головки

 

Цель работы

Выбрать и построить схему размещения форсунок, расчет ядерных форсунок, расчет периферийных форсунок

 

Общие сведения

Размещение форсунок на форсуночной головке должно способствовать 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.

В двигателях, работающих на однокомпонентных форсунках, для хорошего смесеобразования необходимо равномерное чередование форсунок горючего и окислителя. Можно выделить следующие схемы расположения форсунок (рис.1.):

· шахматное расположение;

· сотовое расположение;

· концентрическое расположение.

Рис.1. Схемы размещения форсунок на ФГ:

а) - шахматное; б) – сотовое; в) – концентрическое

 

Для обеспечения условий, наименее способствующих возникновению неустойчивого горения, форсунки иногда размещают в порядке, представляющем собой различные комбинации

приведенных выше схем расположения форсунок. Для защиты стенок КС от прогара создается защитный пристеночный слой, обогащенный горючим и имеющий вследствие этого более низкую температуру, чем ядро потока.
        Периферийные форсунки горючего обычно делаются более дальнобойными и с меньшим расходом, чем ядерные форсунки.

В случае выполнения форсунок в виде отдельных конструктивны узлов наиболее распространенным способом крепления является пайка; находят применение так же резьбовые соединения и развальцовка.

Основное требование к форсункам – обеспечить по возможности более тонкий и однородный распыл топлива в КС при достаточно малом перепаде давлений на форсунке.

В данной работе будем проектировать центробежные форсунки. Расчетные схемы открытой и закрытой однокомпонентных центробежных форсунок приведены на рисунках 2, 3.

Центробежной называется форсунка, в которой искусственно создается закрутка подаваемой через нее жидкости. После выхода жидкости из сопла форсунки под действием центробежных сил образуется тонкая конусная пелена компонента, которая быстро распадается на капли.

   

      Рис.2. Открытый тип                                                                       Рис.3.  Закрытый тип

 

       Осуществляем выбор размещения центробежных однокомпонентных форсунок для ядра ФГ – сотовое. В пристеночном слое КС схема размещения форсунок по концентрическим окружностям для обеспечения равномерного по составу и толщине пристеночного слоя.

 

Исходные данные

 Топливо                                                                      (27% АТ + 73% АК) + Тонка 250;

Коэффициент динамической вязкости окислителя    η_ок = 0,75∙10^-3 Н∙с/м²;

Коэффициент динамической вязкости горючего        η_г = 0,32∙10^-3 Н∙с/м²;

Плотность окислителя                                                   ρ_ок = 1493 кг/м³;

Плотность горючего                                                       ρ_г = 847 кг/м³;

Диаметр камеры сгорания                                              Dк = 0,292 м;

       Шаг между форсунками                                                  S_ф = 12∙10^-3 м;

Наружный диаметр корпуса форсунки                          D_ф = 8 ∙10^-3м;

Расход окислителя в ядре                                                 m_ок.я = 49,426 кг/с;

Расход горючего в ядре                                                    m_г.я = 21,323 кг/с;

Расход окислителя в пристеночном слое                              m_ок.пс = 9,495 кг/с;

Расход горючего в пристеночном слое                                 m_г.пс = 8,192 кг/с.

 

Проверим условие, правильно ли подобраны диаметр корпуса форсунки и шаг между форсунками

Размер перемычки

По данным статистики

Вычерчиваем схему размещения форсунок на форсуночной головке проектируемой КС (рис.4).

Рис.4. Схема размещения форсунок на форсуночной головке

Сформировав ФГ КС прорисовкой,определяем количество форсунок окислителя и горючего в ядре и пристеночном слое:

 

Расход через отдельные форсунки в ядре

 

Расход через отдельные форсунки в пристеночном слое

 

После расчета расходов в отдельных форсунках осуществляем проверку полученных результатов согласно рекомендаций

 

 

Ядерные форсунки

          Геометрический расчет ядерной однокомпонентной форсунки окислителя

Внутренний диаметр камеры закручивания отдельной форсунки

,

где h_ст = (1…1,5) ∙10^-3 м – толщина стенки форсунки. Принимаем h_ст = 1,1 ∙10^-3 м.

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

i=2…6; d_вх = (0,5…2,5) ∙10^-3 м

Принимаем i = 4, d_вх = 1∙10^-3 м.

Прорисовываем поперечное сечение форсунки в масштабе 10:1(рис.5.), и проверяем по чертежу соотношение l_вх/d_вх = 1,5…3, получено l_вх/d_вх = 2∙10^-3 /1∙10^-3 =2 – соотношение выполняется.

 

Рис.5. Поперечное сечение форсунки окислителя М4:1

 

Радиус плеча закрутки вихря

Диаметр сопла форсунки

для форсунки открытого типа d_c = D_кз
для форсунки закрытого типа

       Проверяем возможность применения форсунки закрытого типа (более тонкий распыл). Возьмем максимально возможный радиус сопла r_с = 1,25∙10^-3 м → d_с = 2,5∙10^-3 м

       Условие выполняется, значит возможно применить форсунку закрытого типа.

 

       Гидравлический расчет ядерной однокомпонентной форсунки окислителя

       Рассчитываем геометрическую характеристику форсунки

По графику рисунок 6 в зависимости от А для форсунок окислителя находим

μ = 0,2

2α = 90^о

φ = 0,45

Рис.6. График к расчету форсунок

 

Перепад давления на форсунке окислителя

Проведя аналогичные расчёты и для других возможных вариантов,приходим к выводу о необходимости уменьшить расход на одной форсунке, а для этого необходимо изменить схему размещения форсунок на ФГ, изменив количество форсунок,это сделать не удается. Вывод, что форсунку закрытого типа для проектируемой КС применить невозможно. Выбираем форсунку открытого типа и продолжаем расчет.

       Для форсунок открытого типа принимаем условие d_с = D_кз = 5,8 ∙ 10^-3м.