Расчёт и проектирование смесеобразования в жидкостном ракетном двигателе

 

 

 

 

 

2 ГИДРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТОПЛИВНЫХ ФОРСУНОК

 

2.1 Двухкомпонентная ядерная струйно-центробежная газожидкостная форсунка с внутренним смешением

 

Ядерная двухкомпонентная форсунка состоит из наружного и внутреннего контуров. Внутренний контур представляет собой однокомпонентную струйную газовую форсунку через которую подается подогретый водород. Наружный контур представляет собой однокомпонентную центробежную жидкостную форсунку, через которую подается кислород. Оба контура работают и рассчитываются независимо друг от друга.

Проектный расчет такой форсунки начинается с внутреннего контура и проводится так же, как расчет двухкомпонентной струйно-центробежной газожидкостной форсунки с внешним смешением компонентов.

 

2.1.1 Проектный расчет внутреннего контура двухкомпонентной газожидкостной форсунки

 

Рассчитывается однокомпонентная струйная газовая форсунка горючего.

2.1.1.1 Выбирается диаметр проходного сечения или диаметр сопла форсунки на выходе

Выбираем

2.1.1.2 Определяется длина сопла форсунки

Принимаем

2.1.1.3 Выбирается форма кромки канала со стороны входа компонента в форсунку.

Форма кромки канала струйной форсунки на входе может быть острой, закругленной по радиусу или с фаской.

Примем форму кромки канала на входе с фаской .

2.1.1.4 Находится относительная длина струйной форсунки .

 

2.1.1.5 Площадь сопла форсунки на выходе

 

 

2.1.1.6 Число Рейнольдса

 

где - динамическая вязкость водорода.

Из справочника [3], при температуре на входе в форсунку = 483 К, значение коэффициента динамической вязкости водорода                                       , тогда

 

2.1.1.7 Среднее значение скорости генераторного газа на выходе из форсунки

 

где 

2.1.1.8 Коэффициент расхода форсунки

 

 

2.1.1.9 Давление подогретого водорода на входе в форсунку

 

 

2.1.1.10 Плотность подогретого водорода на входе в форсунку

 

 

Тогда среднее значение скорости водорода на выходе из форсунки

 

2.1.1.11. Площадь сопла форсунки  на выходе

 

где n - средний показатель изоэнтропы расширения, определенный

в первой курсовой работе в пункте 3.2.2.4 [6]

 

 

2.1.1.12 Диаметр сопла форсунки, обеспечивающий требуемый массовый расход генераторного газа при выбранном перепаде давления на форсунке,

 

 

2.1.1.13 Наружный диаметр газовой форсунки окислителя, являющейся внутренним контуром двухкомпонентной струйно-центробежной газожидкостной форсунки

 

где толщина стенки струйной газовой форсунки.

Примем

 

 

2.1.2 Проектный расчёт наружного контура двухкомпонентной газожидкостной форсунки

 

Рассчитывается однокомпонентная центробежная форсунка жидкого кислорода.

2.1.2.1 Задаемся числом входных тангенциальных отверстий.

Число входных тангенциальных отверстий должно находиться в интервале

Примем число входных тангенциальных отверстий

2.1.2.2 Задаемся диаметром входного тангенциального отверстия.

Рекомендуемый диапазон диаметров [2].         

Примем

2.1.2.3 Находим диаметр камеры закручивания форсунки

Примем

2.1.2.4 На поперечном разрезе нужного сечения чертежа форсунки, выполненного в масштабе 5:1 в графическом редакторе КОМПАС v13, замеряется длина входного тангенциального отверстия.

 

2.1.2.5 Определяем отношение

 

2.1.2.6 Длина камеры закручивания

 

где относительная длина камеры закручивания струйной форсунки.

Относительная длина камеры закручивания должна находиться в пределах

Примем

 

 

2.1.2.7 Выбираем угол наклона образующей конической поверхности перехода от камеры закручивания к соплу.

Существуют следующие рекомендации [2] по выбору этого угла

Примем

2.1.2.8 Радиус от оси форсунки, на котором расположена ось входного тангенциального отверстия,

 

 

2.1.2.9 Выбираем диаметр сопла форсунки.

Выбираем форсунку открытого типа, тогда 

Примем

2.1.2.10 Выбираем длину сопла форсунки

 

где – относительная длина сопла форсунки.

Относительная длина сопла форсунки должна находиться в пределах

Принимаем

 

2.1.2.11 Геометрическая характеристика центробежной форсунки горючего

 

 

2.1.2.12 Число Рейнольдса на входе в форсунку

 

где – динамическая вязкость кислорода, подаваемого через форсунку.

 

 

2.1.2.13 Коэффициент трения на входе в форсунку

 

 

 

2.1.2.14 Эквивалентная геометрическая характеристика форсунки, учитывающая влияние вязкости реальной жидкости, подаваемой через форсунку

 

 

2.1.2.15 Коэффициент живого сечения сопла форсунки

 

 

 

 

2.1.2.16 Коэффициент расхода центробежной форсунки окислителя

 

 

2.1.2.17 Средний угол факела распыла

 

 

 

2.1.2.18 Площадь сопла форсунки

 

 

2.1.2.19 Потребный перепад давления на форсунке окислителя, обеспечивающий необходимый расход жидкого окислителя через форсунку

 

 

2.1.2.20 Радиус вихря жидкости или воздушного вихря в выходном сечении форсунки

 

 

 

2.1.2.21 Площадь живого сечения сопла форсунки

 

 

2.1.2.22 Среднее значение осевой скорости окислителя на выходе из форсунки

 

 

2.1.2.23 Среднее значение абсолютной скорости окислителя на выходе из форсунки

 

 

2.1.2.24 Толщина пелены окислителя на выходе из форсунки

 

 

2.1.2.25 Критерий Вебера

 

где – плотность продуктов сгорания в сечении к-к на входе в камеру, куда происходит истечение компонента из форсунки; – коэффициент поверхностного натяжения впрыскиваемого окислителя.

Принимаем  

 

 

 

 

2.1.2.26 Критерий Лапласа

 

где – динамическая вязкость впрыскиваемого жидкого кислорода.

 

 

2.1.2.27 Медианный диаметр образовавшихся капель в факеле распыла

 

 

2.1.3 Чертится спроектированная двухкомпонентная струйно-центробежная газожидкостная форсунка с внутренним смешением по полученным геометрически размерам в масштабе 5:1 в графическом редакторе КОМПАС v13. Полученный эскиз приведен на рисунке 2.

При проектировании наружного контура двухкомпонентной струйно-центробежной газожидкостной форсунки с внутренним смешением необходимо выполнить следующие дополнительные требования:

1. Струя водорода, вытекающая из внутреннего контура в камеру закручивания наружного контура не должна мешать струям жидкого окислителя, подаваемым через тангенциальные отверстия наружного контура, свободно закрутиться и растечься по поверхности камеры закручивания. Для этого должно быть выполнено соотношение:

 

 

 

 

2. Струя окислительного генераторного газа, вытекающая из сопла внешнего контура двухкомпонентной струйно-центробежной газожидкостной форсунки должна полностью располагаться внутри воздушного вихря наружного контура этой форсунки. Для этого нужно иметь

 

 

 

 

2.2 Пристеночная двухкомпонентная струйно-центробежная газожидкостная форсунка с внутренним смешением

 

2.2.1 Проектный расчёт внутреннего контура двухкомпонентной газожидкостной форсунки

2.2.1.1 Выбираем диаметр проходного сечения или диаметр сопла форсунки на выходе

 

2.2.1.2 Определяем длину сопла форсунки

Примем

2.2.1.3 Выбираем форму кромки канала со стороны входа компонента в форсунку.

Форма кромки канала струйной форсунки на входе может быть острой, закругленной по радиусу или с фаской.

Примем форму кромки канала на входе с фаской .

2.2.1.4 Находим относительная длина струйной форсунки .

 

2.2.1.5 Площадь сопла форсунки на выходе

 

 

2.2.1.6 Число Рейнольдса

 

 

2.2.1.7 Среднее значение скорости подогретого водорода на выходе из форсунки

 

2.2.1.8 Коэффициент расхода форсунки

 

 

2.2.1.9 Давление подогретого водорода на входе в форсунку

 

 

2.2.1.10 Плотность подогретого водорода на входе в форсунку

 

 

Тогда среднее значение скорости генераторного газа на выходе из форсунки

 

2.2.1.11 Площадь сопла форсунки на выходе

 

 

2.2.1.12 Диаметр сопла форсунки, обеспечивающий требуемый массовый расход генераторного газа при выбранном перепаде давления на форсунке,

 

 

2.2.1.13 Наружный диаметр газовой форсунки горючего, являющейся внутренним контуром двухкомпонентной струйно-центробежной газожидкостной форсунки

 

где толщина стенки струйной газовой форсунки.

Примем

 

 

2.2.2 Проектный расчёт наружного контура двухкомпонентной газожидкостной форсунки

 

2.2.2.1 Задаемся числом входных тангенциальных отверстий.

Число входных тангенциальных отверстий должно находиться в интервале

Примем число входных тангенциальных отверстий

2.2.2.2 Задаемся диаметром входного тангенциального отверстия.

Рекомендуемый диапазон диаметров [2].

Примем

2.2.2.3 Находится диаметр камеры закручивания форсунки.

Примем

2.2.2.4 На поперечном разрезе нужного сечения чертежа форсунки, выполненного в масштабе 5:1, замеряется длина входного тангенциального отверстия.

 

2.2.2.5 Определяется отношение

 

2.2.2.6 Длина камеры закручивания

 

где относительная длина камеры закручивания центробежнойфорсунки.

Примем

Относительная длина камеры закручивания должна находиться в пределах

 

2.2.2.7 Выбираем угол наклона образующей конической поверхности перехода от камеры закручивания к соплу.

Существуют следующие рекомендации [2] по выбору этого угла

Примем

2.2.2.8 Радиус от оси форсунки, на котором расположена ось входного тангенциального отверстия,

 

 

2.2.2.9 Выбирается диаметр сопла форсунки.

Выбираем форсунку открытого типа, тогда 

Примем

2.2.2.10 Выбирается длина сопла форсунки

 

где – относительная длина сопла форсунки.

Относительная длина сопла форсунки должна находиться в пределах

Принимаем

 

2.2.2.11 Геометрическая характеристика центробежной форсунки окислителя

 

 

2.2.2.12 Число Рейнольдса на входе в форсунку

 

где – динамическая вязкость жидкого кислорода, подаваемого через форсунку.

 

 

2.2.2.13 Коэффициент трения на входе в форсунку

 

 

 

2.2.2.14 Эквивалентная геометрическая характеристика форсунки, учитывающая влияние вязкости реальной жидкости, подаваемой через форсунку

 

 

 

2.2.2.15 Коэффициент живого сечения сопла форсунки

 

 

2.2.2.16 Коэффициент расхода центробежной форсунки горючего

 

 

2.2.2.17 Средний угол факела распыла

 

 

 

2.2.2.18 Площадь сопла форсунки

 

 

2.2.2.19 Потребный перепад давления на форсунке окислителя, обеспечивающий необходимый расход жидкого окислителя через форсунку

 

 

2.2.2.20 Радиус вихря жидкости

 

 

2.2.2.21 Площадь живого сечения сопла форсунки

 

 

2.2.2.22 Среднее значение осевой скорости окислителя на выходе из форсунки

 

 

2.2.2.23 Среднее значение абсолютной скорости окислителя на выходе из форсунки

 

 

2.2.2.24 Толщина пелены окислителя на выходе из форсунки

 

 

2.2.2.25 Критерий Вебера

 

где – плотность продуктов сгорания в сечении к-к на входе в камеру, куда происходит истечение компонента из форсунки; – коэффициент поверхностного натяжения впрыскиваемого окислителя.

 

 

 

 

2.2.2.26 Критерий Лапласа

 

где – динамическая вязкость впрыскиваемого кислорода.

 

2.2.2.27 Медианный диаметр образовавшихся капель в факеле распыла

 

 

2.2.3 Чертится спроектированная двухкомпонентная струйно-центробежная газожидкостная форсунка с внутренним смешением по полученным геометрически размерам в масштабе 5:1. Полученный эскиз приведен на рисунке 3.