Проектирование смесительной головки

 

8.1. Выбор типа форсунок и их расположение на смесительной головке

Смесительная, или форсуночная головка является основным звеном системы смесеобразования камеры двигателя. Ее работа в значительной степени определяет полноту сгорания, устойчивость рабочего процесса и надежность теплозащиты камеры. Поэтому разработка конструкции смесительной головки, ее экспериментальная доводка - исключительно сложная и ответственная задача.

Из технологических требований смесительную головку целеобразно проектировать и изготавливать в виде отдельного узла камеры РД - блока головки. Вследствие этого, во-первых, технологические режимы термической обработки головки, как, например, пайки, могут отличаться от термических режимов изготовления блока камеры сгорания и сопла. Во-вторых, обеспечивается возможность проведения в ходе изготовления технологических испытаний на гидроустановках герметичности полостей, соответствие расходных характеристик, а так же качества распыла и смешивания, техническим условиям до соединения головки с камерой сгорания.

Важными конструктивными элементами смесительной головки являются форсунки. В современных ЖРД применяются различные их виды - струйные и центробежные, жидкостные и газовые, однокомпонентные и двухкомпонентные. При выборе схемы расположения форсунок предпочтение надо отдавать той, при которой на головке размещается наибольшее количество форсунок. Это особенно важно для камер малого и среднего диаметров (до 0,25...0,3 м).

При однокомпонентных форсунках для обеспечения начального перемешивания компонентов форсунки располагают в определенном порядке, при котором образуются так называемые смесительные элементы-ячейки. Распространенными схемами расположения является сотовое.

Сотовое расположение форсунок позволяет получить большую их плотность, чем другие схемы расположения и благоприятное соотношение форсунок окислителя и горючего. Недостатком этого размещения является неравномерный по составу и толщине пристеночный слой. Поэтому периферийные форсунки при сотовой схеме размещения располагают по концентрическим окружностям. Переход от сотового к концентрическому расположению делают различным путем с выполнением требований сохранения высокой расходонапряженности головки.

Концентрическое размещение форсунок используется весьма часто при двухкомпонентных жидкостных или газожидкостных форсунок. В том случае, когда необходимо обеспечивать постоянное соотношение компонентов по головке, все двухкомпонентные форсунки с одинаковыми расходами и равномерно располагаются по площади днища на концентрических окружностях. Концентрическая схема расположения двухкомпонентных форсунок позволяет получить высокую общую и достаточно местную расходонапряженность при высокой равномерности поля температур газа в зоне стенки.

Проектировании смесительной головки, основываясь и принимая во внимания вышеуказанные рекомендации, будем осуществлять по следующему порядку:

1. Выбор типа форсунок.

Выбираем двухкомпонентные центробежные жидкостные форсунки с внешним смешением компонентов топлива. Для головок ЖРД без дожигания это более предпочтительный тип форсунок, учитывая, что хороший распыл и смешение компонентов имеют первостепенное значение.

2. Выбор схемы расположения форсунок на головке.

Выбираем концентрическое расположение форсунок по концентрическим окружностям. Это позволяет получить высокую общую и достаточно местную расходонапряженность при высокой равномерности поля температур газа в зоне стенки

3. Размещение форсунок:

- диаметр корпуса форсунки по огневому днищу: d_ф=15_*10^-3 ;

- минимальное расстояние между корпусами форсунок: ∆ф=8_*10^-3

- расстояние между осями смежных форсунок:

- расстояние от оси пристеночных форсунок до стенки камеры:

[м].

Как видно из рисунка (рис. 8.1.) количество двухкомпонентных форсунок на смесительной при расположении их по концентрическим окружностям равно 12. Для сведения для расчетов в главе 6 примем, что количество форсунок окислителя и горючего равно по 12 шт.

4. С учетом принятой схемы расположения и типа форсунок, принимая во внимание найденные раннее массовые секундные расходы через них, проведем расчет геометрических размеров форсунок.

 

Рис. 8.1. Графическая схема расположения двухкомпонентных форсунок на огневом днище головки.

 

8.2. Расчет двухкомпонентной жидкостной центробежной форсунки с внешним смешением компонентов топлива.

Для определенности расчетов будем считать, что через внутреннюю форсунку подается горючее, а через периферийную - окислитель (рис.8.2.).

Рис. 8.2. Двухкомпонентная жидкостная центробежная форсунка с внешним смешением компонентов и принятыми углами распыла для них.

Исходные данные для расчета:

секундный расход окислителя через форсунку ;

секундный расход горючего через форсунку ;

перепад давления на форсунке окислителя ;

перепад давления на форсунке горючего ;

плотность окислителя ;

плотность горючего ;

угол конуса распыла форсунки окислителя ;

угол конуса распыла форсунки горючего .

Зная углы распыла, по графику (рис. 8.3.) находим в первом приближении геометрические характеристики:

и ,

а так же коэффициенты расхода и

Определим в первом приближении площади и диаметры сопел форсунок:

горючего

 

где

окислителя

Зададимся числом входных отверстий и ,

а так же отношениями ,

Рассчитаем в первом приближении радиусы входных отверстий форсунок:

Найдем наружный радиус форсунки горючего:

По графику (рис.8.3.), по величине определим коэффициент живого сечения форсунки окислителя .

Вычислим радиус вихря форсунки окислителя:

Сравниваем значения и . При этом должно соблюдаться условие:

, .

Как видно, данное условие соблюдается и нам подходят углы распыоа компонентов.

Вычислим число Рейнольдса, как функцию параметров на входе в форсунку:

где , - коэффициенты динамической вязкости компонентов.

Найдем коэффициент трения:

Определим значение эквивалентной геометрической характеристики в первом приближении:

Как видно из расчетов полученные значения и не отличаются от значений и не больше чем на 5%, следовательно на этом расчет заканчиваем.