close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

ТРИПРД форсунки курсач Громова

код для вставкиСкачать
 Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
"Самарский государственный аэрокосмический университет
им. академика С. П. Королева
(национальный исследовательский университет)"
Факультет двигателей летательных аппаратов
Кафедра теории двигателей летательных аппаратов
Расчётно-пояснительная записка к курсовой работе
"РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ В ЖРД"
по учебной дисциплине "Теория, расчёт и проектирование
ракетных двигателей"
Выполнила студентка гр. 2408
Громова Е. С.
Руководитель - доцент Егорычев В.С.
Самара 2013
ЗАДАНИЕ
на курсовую работу "Расчет и проектирование смесеобразования в ЖРД"
по учебной дисциплине "Теория, расчёт и проектирование
ракетных двигателей"
Выполнить проектирование смесительной головки и топливных форсунок для камеры ЖРД со следующими исходными данными:
1. Топливо Н2ж и О2ж2. Тяга(P), кН2203. Давление в камере сгорания (p_oc), МПа214. Число запусков25. Время работы РД, с5006. Номер ступени27. Массовое число ракетыμ_к4,18. Относительная расходонапряжённость (¯(m ̇ )_F), кг⁄(Н∙с)1,0∙〖10〗^(-4)9. Изменение тяги, %+9%
-20%10. Изменение соотношения компонентов, %±8%
Использовать результаты проектного термодинамического расчета камеры ЖРД, выполненного в предыдущей курсовой работе "Термодинамический расчет и проектирование камеры ЖРД с использованием СПК TERRA".
Задние выдано: 3.09.2013 г.
РЕФЕРАТ
Пояснительная записка с, рисунков, таблиц, источников, приложение.
ТОПЛИВО, ГОРЮЧЕЕ, ОКИСЛИТЕЛЬ, СМЕСИТЕЛЬНАЯ ГОЛОВКА, ФОРСУНКА, ФАКЕЛ РАСПЫЛА. Проведен выбор формы, типа и конструктивной схемы смесительной головки, типа форсунок и схемы их расположения на днище смесительной головки. Определены число форсунок и массовые расходы компонентов топлива через одну форсунку. Выполнен гидрагазодинамический расчет топливных форсунок. Определены параметры двухкомпонентной центробежно-центробежной жидкостной форсунки с внутренним смешением. Выполнен чертеж спроектированной форсунки. Произведено параметрическое исследование спроектированных форсунок с помощью САПР "Смесеобразование в ЖРД". СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................5
1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СМЕСИТЕЛЬНОЙ ГОЛОВКИ КАМЕРЫ...............................6
1.1. Выбор формы, типа и конструктивной схемы смесительной головки...............6
1.2. Определение устройств, располагаемых на смесительной головке камеры........6
1.3. Выбор типа форсунок...........................................................................6
1.4. Выбор схемы расположения форсунок на днище
смесительной головки камер.........................................................................7
1.5. Определение размеров форсунок и вычерчивание схемы их расположения.......7
1.6. Определение числа форсунок................................................................10
1.7. Массовые расходы компонентов топлива через одну форсунку.....................10
2. ГИДРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТОПЛИВНЫХ ФОРСУНОК.................................................12
2.1. Ядерная двухкомпонентная струйно-струйная
газожидкостная форсунка с внутренним смешением..........................................12
2.2. Пристеночная двухкомпонентная струйно -
центробежная газожидкостная форсунка с внутренним смешением......................19
3. ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СПРОЕКТИРОВАННЫХ
ФОРСУНОК С ПОМОЩЬЮ САПР "СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕ В ЖРД"..................25
3.1. Поверочный расчет спроектированной ядерной форсунки............................25
3.2. Поверочный расчет спроектированной пристеночной форсунки....................28
3.3. Параметрическое исследование спроектированных форсунок.......................30
ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................33
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.................................................34
ВВЕДЕНИЕ
Система смесеобразования осуществляет ввод, распыление, смешение и первоначальное распределение компонентов топлива или продуктов газогенерации в камере сгорания. Она должна обеспечивать высокую полноту сгорания топлива в камере сгорания, надежную защиту стенок камеры от прогара и устойчивое протекание рабочего процесса. Результаты эскизного проектирования камеры и её смесеобразования используются в качестве исходных данных при рабочем проектировании ЖРД в целом, его отдельных систем, агрегатов и узлов. Рабочее проектирование может потребовать корректировки результатов эскизного проектирования. Тогда вносятся необходимые изменения в значения отдельных параметров и расчет уточняется.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СМЕСИТЕЛЬНОЙ ГОЛОВКИ КАМЕРЫ
Выбор формы, типа и конструктивной схемы смесительной головки
Выбираем для проектируемого ЖРД жидкогазофазную смесительную головку. Это обусловлено тем, что проектируемый двигатель с дожиганием генераторного газа, и поэтому один компонент подается в КС в жидком виде, а другой - в газообразном.
По форме выбираем плоскую смесительную головку, т.к. она обеспечивает достаточно хорошую однородность полей скоростей, соотношения компонентов и расходонапряжённости по поперечному сечению камеры сгорания и проста по конструкции.
По конструктивной схеме выберем плоскую смесительную головку с двойным дном как наиболее технологичную.
Итак, выбираем для камеры проектируемого ЖРД жидкогазофазную смесительную головку с двойным дном.
1.2. Определение устройств, располагаемых на смесительной головке камеры
Компоненты топлива (Н2ж и О2ж) являются несамовоспламеняющимися, поэтому необходимо установить воспламеняющее устройство. Предполагается на стенке камеры сгорания, вблизи смесительной головки, установить электроискровой воспламенитель. Расположение других дополнительных устройств на смесительной головке не предполагается.
1.3. Выбор типа форсунок
1.3.1. Выбирается тип форсунок для ядра потока.
Выбираем двухкомпонентные струйно-струйные форсунки, так как они используются в двигателях с дожиганием генераторного газа. Так как водород и кислород являются несамовоспламеняющимися компонентами - применяется двухкомпонентная форсунка с внутренним смешением. Такой тип форсунки позволит обеспечить смешение компонентов еще до поступления в камеру сгорания, что ускорит процесс горения и позволит уменьшить необходимый объем камеры.
1.3.2. Выбирается тип форсунок для пристеночного слоя.
Для создания пристеночного слоя с более низкой, чем в ядре потока, температурой продуктов сгорания (для предотвращения перегрева, окисления , эрозии и прогара стенок камеры ЖРД) установим на смесительной головке специальный периферийный пояс двухкомпонентных форсунок с соотношением компонентов, установленным для пристеночного слоя.
1.4. Выбор схемы расположения форсунок на днище смесительной головки камеры
Примем схему расположения форсунок по концентрическим окружностям, как более технологичную. К тому же, выбранные ранее двухкомпонентные форсунки лучше всего располагать именно по концентрической схеме.
Для создания пристеночного слоя с более низкой, чем в ядре потока, температурой продуктов сгорания установим на смесительной головке специальный периферийный пояс двухкомпонентных форсунок с соотношением компонентов, установленным для пристеночного слоя.
1.5. Определение размеров форсунок и вычерчивание схемы их расположения
1.5.1. Выбор размеров форсунок смесительной головки и шага между ними.
1.5.1.1. Шаг между форсунками в ядре потока.
Необходимо разместить на смесительной головке камеры максимально возможное число форсунок, т.к. это обеспечивает более качественный распыл и смешение компонентов топлива.
В первом приближении можно считать, что шаг между центробежными форсунками H определяется эмпиричеким уравнением
H=√(D_гол ) ,
где D_гол - диаметр плоской смесительной головки камеры сгорания в мм.
Для цилиндрической камеры сгорания D_гол=D_к , поэтому
H=√(D_к )
H=√178=13,34 мм.
1.5.1.2. Внешний диаметр ядерных форсунок
Для плоской смесительной головки камеры средней размерности внешний диаметр двухкомпонентной струйно-центробежной форсунки определяется в первом приближении с помощью эмпирического уравнения
D_ф=0,75∙H,
где H - шаг между ядерными форсунками в первой итерации в мм.
D_ф=0,75∙13,34=10,01 мм.
Окончательно принимаем шаг между ядерными форсунками H=12 мм, а внешний диаметр ядерных форсунок Dф = 10,5 мм.
1.5.1.3. Внешний диаметр пристеночных двухкомпонентных форсунок.
Следует учитывать, что пристеночные форсунки обычно делают с меньшим расходом, чем ядерные. Их внешний диаметр принимается немного меньше ядерных.
Примем Dпр = 9 мм.
1.5.1.4. Шаг между двухкомпонентными пристеночными форсунками.
Шаг между периферийными форсунками делают меньше, чтобы обеспечить равномерную толщину пристеночного слоя по всему периметру камеры. 1.5.2. С помощью лицензированного графического редактора на компьютере вычерчивается принятая схема расположения форсунок на огневом днище смесительной головки с принятыми выше размерами. Результат построений приведен на рисунке 1.
1.5.3. Определяется расстояние между форсунками в радиальном направлении
Δ_ф=H_r-D_ф.
Следует отметить, что для обеспечения условий прочности днища смесительной головки и равномерности подвода компонента к форсункам необходимо иметь Δ_ф≥3 мм.
Δ_ф=12-9=3 мм.
1.5.4. Определяется расстояние между пристеночными форсунками и огневой стенкой камеры сгорания Δ_пр.
Необходимо иметь Δ_пр≥3 мм. Примем Δ_ф=3 мм.
Рис. 1 Схема расположения двухкомпонентных форсунок на смесительной головке камеры проектируемого ЖРД (М 1:1)
1.5.3. Определяется расстояние между форсунками в радиальном направлении
Δ_ф=H_r-D_ф.
Следует отметить, что для обеспечения условий прочности днища смесительной головки и равномерности подвода компонента к форсункам необходимо иметь Δ_ф≥3 мм.
Δ_ф=12-9=3 мм.
1.5.4. Определяется расстояние между пристеночными форсунками и огневой стенкой камеры сгорания Δ_пр.
Необходимо иметь Δ_пр≥3 мм. Примем Δ_ф=3 мм.
1.6. Определение числа форсунок
По выполненной схеме расположения форсунок на огневом днище определяется количество форсунок компонентов топлива на смесительной головке камеры. В данной проектной работе смесительной головкой организован пристеночный слой. Форсунки выбраны двухкомпонентные, поэтому подсчитываем количество ядерных и пристеночных форсунок: nя =91, nпр= 42.
1.7. Массовые расходы компонентов топлива через одну форсунку
1.7.1. Массовые расходы окислителя и горючего при организации смесительной головкой пристеночного слоя, с двухкомпонентными форсунками.
1.7.1.1. Массовый расход окислителя через одну ядерную двухкомпонентную форсунку
m ̇_(ф.ок.я)=m ̇_(ок.я)/n_я ,
где m ̇_(ок.я)- массовый расход окислителя через ядро потока камеры,
n_я- число ядерных двухкомпонентных форсунок.
m ̇_(ф.ок.я)=33,94/91=0,3729 кг⁄с.
1.7.1.2. Массовый расход горючего через одну ядерную двухкомпонентную форсунку
m ̇_(ф.г.я)=m ̇_(г.я)/n_я ,
где m ̇_(г.я)- массовый расход горючего через ядро потока камеры,
n_я- число ядерных двухкомпонентных форсунок.
m ̇_(ф.г.я)=10,65/91=0,1170 кг⁄с.
1.7.1.3. Массовый расход горючего через одну пристеночную двухкомпонентную форсунку
m ̇_(ф.г.пр)=m ̇_(г.пр)/n_пр ,
где m ̇_(г.пр)- массовый расход горючего через пристеночный слой камеры,
n_пр- число пристеночных двухкомпонентных форсунок.
m ̇_(ф.г.пр)=4,171/42=0,0993 кг⁄с.
1.7.1.4. Массовый расход окислителя через одну пристеночную двухкомпонентную форсунку
m ̇_(ф.ок.пр)=m ̇_(ок.пр)/n_пр ,
где m ̇_(г.пр)- массовый расход окислителя через пристеночный слой камеры,
n_пр- число пристеночных двухкомпонентных форсунок.
m ̇_(ф.ок.пр)=3,631/42=0,0864 кг⁄с.
2. ГИДРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТОПЛИВНЫХ ФОРСУНОК
2.1. Ядерная двухкомпонентная струйно-струйная газожидкостная форсунка с внутренним смешением
Двухкомпонентные струйно-струйные газожидкостные форсунки с внутренним смешением используются в ЖРД с дожиганием генераторного газа, которые работают на несамовоспламеняющихся, чаще всего криогенных компонентах топлива. Схема организации рабочего процесса в камере сгорания таких двигателей "газ-жидкость". Форсунка состоит из внутреннего и наружного контуров. Оба контура рассчитываются независимо друг от друга, причем расчет начинается с внутреннего контура
2.1.1. Расчет внутреннего контура струйно-струйной ядерной форсунки, подающего генераторный газ
Внутренний контур ядерной струйно-струйной форсунки, подающей восстановительный генераторный газ, представляет собой однокомпонентную газовую струйную форсунку. 2.1.1.1. Выбираем в первом приближении диаметр проходного сечения или диаметр сопла форсунки на выходе d_(с.в.) Этот диаметр может находиться в пределах 0,5 мм≤d_(с.в.)≤D_(ф.в) . Примем его равным 6,6 мм.
2.1.1.2. Определяем длину форсунки или длину сопла форсунки l_(с.в.).
Газовая струйная форсунка подает восстановительный генераторный газ из полости смесительной головки, расположенной между средним и наружным днищами. Поэтому при определении ее длины следует учитывать толщины среднего и огневого днищ, расстояние между ними и величины выступов форсунки над средним и и огневым днищами.
Толщина среднего и огневого днищ находится в интервале 2,0...3,0 мм, а расстояние между днищами составляет 8...12 мм. Примем толщины среднего и огневого днищ равными 2,0 мм, расстояние между днищами 9 мм, тогда длину форсунки примем l_(с.в.)=5 мм.
2.1.1.3. Выбираем форму кромки канала со стороны входа компонента в форсунку.
Наиболее часто применяются газовые форсунки с фаской.
2.1.1.4. Находим относительная длина струйной форсунки
l_(с.в.)/d_(с.в.) =5/6,6=0,757
2.1.1.5. Площадь сопла форсунки на выходе
F_(ф.в)=(〖π∙d〗_(с.в.)^2)/4=(π∙〖6,6〗^2)/4=3,419∙〖10〗^(-5)
2.1.1.6. Число Рейнольдса
Re=(4∙m ̇_(ф.гг.))/(π∙η_гг∙d_(с.в.) ),
где m ̇_(ф.гг.) - массовый расход генераторного газа через одну форсунку,
〖 η〗_гг - динамическая вязкость генераторного газа.
Re=(4∙0,117)/(3,14∙0,217∙〖10〗^(-4)∙4)=1040962
2.1.1.7. Среднее значение скорости генераторного газа на выходе из форсунки
W_гг=m ̇_(ф.гг.)/(ρ_гг∙F_(ф.в) ),
где ρ_гг - плотность генераторного газа на входе в форсунку
W_гг=0,117/(12,45∙3,419∙〖10〗^(-5) )=274,9 м/с
2.1.1.8. Коэффициент расхода форсунки μ=(1,23+(58∙l_(с.в.))/(Re∙d_(с.в.) )∙μ)^(-1) или
μ=(√(〖1,23〗^2+232∙l_(с.в.)/Re∙d_(с.в.) )-1,23)/(116∙l_(с.в.)/Re∙d_(с.в.) )=(√(〖1,23〗^2+232∙5/Re∙6,6)-1,23)/(116∙5/Re∙6,6)=0,8129
2.1.1.9. Давление генераторного газа на входе в форсунку
p_(вх.гг)=p_к+Δp_(ф.в) ,
где p_к - давление на входе в камеру сгорания,
Δp_(ф.в) - перепад давления на внутреннем контуре струйной газовой форсунки.
p_(вх.гг)=21∙〖10〗^6+0,7∙〖10〗^6=21,7∙〖10〗^6 Па
2.1.1.10. Плотность генераторного газа на входе в форсунку
ρ_(вх.гг)=p_(вх.гг)/(R_гг∙T_гг ),
где T_гг - температура генераторного газа на входе в форсунку
ρ_(вх.гг)=(21,7∙〖10〗^6)/(2160,8∙806,8)=12,45 кг/м^3
2.1.1.11. Площадь сопла форсунки на выходе F_(ф.в)=m ̇_(ф.гг.)/(μ∙ρ_гг∙(p_к/ρ_(вх.гг) )^(1/n)∙√(2∙n/(n-1)∙R_гг∙T_гг [1-(p_к/ρ_(вх.гг) )^((n-1)/n) ] ))==0,04024/(0,8129∙12,45∙((21∙〖10〗^6)/(21,7∙〖10〗^6 ))^(1/1,3542)∙√(2∙1,3542/(1,3542-1)∙2160,8∙806,8[1-((21∙〖10〗^6)/(21,7∙〖10〗^6 ))^((1,3542-1)/1,3542) ] ))=3,512∙〖10〗^5
2.1.1.12. Диаметр сопла форсунки, обеспечивающей требуемый массовый расход генераторного газа при выбранном перепаде давления на форсунке,
d_(с.в.)=√((4∙F_(ф.в))/π)=√((4∙3,512∙〖10〗^5)/3,14)=0,006688 м=6,688 мм
Окончательно принимаем d_(с.в.)=6,6 мм.
2.1.2. Расчет внешнего контура струйно-струйной ядерной форсунки, подающего жидкий кислород
Внешний контур ядерной струйно-струйной форсунки, подающей жидкий кислород, представляет собой однокомпонентную жидкостную струйную форсунку. Число струйных форсунок окислителя в наружном контуре двухкомпонентной форсунки n_ф=8, массовый расход через одну форсунку
m ̇_(1ф.ок.я)=m ̇_(ф.ок.я)/n_ф =0,3729/8=0,04662 кг/с.
2.1.2.1. Выбираем диаметр проходного сечения или диаметр сопла форсунки на выходе d_с. Этот диаметр может находиться в пределах 0,2 мм≤d_с≤D_ф. Примем d_с=1,1 мм.
2.1.2.2. Определяем в первом приближении длину форсунки или длину сопла форсунки.
Форсунки подают компонент из полости смесительной головки, расположенной между средним и огневым днищами, при определении ее длины учитывается толщина лишь огневого днища. Длину форсунки примем l=1,7 мм.
2.1.2.3. Выбираем форму кромки канала со стороны входа компонента в форсунку.
Выберем форму канала с острой входной кромкой.
2.1.2.4. Находим относительную длину форсунки l_ /d_с =1,7/1,1=1,545
2.1.2.5.Определяем режим работы струйной жидкостной форсунки У струйных форсунок с острой входной кромкой при l/d_c>1,5 возможна реализация безотрывного режима истечения, когда струя компонента заполняет всё выходное сечение форсунки.
2.1.2.6. Площадь сопла форсунки
F_ф=(〖π∙d〗_с^2)/4=(π∙〖1,1〗^2)/4=9,498∙〖10〗^(-7)
2.1.2.7. Число Рейнольдса
Re=(4∙m ̇_(ф.ок.))/(π∙η_ок∙d_с )=(4∙0,0466)/(3,14∙0,22∙〖10〗^(-4)∙1,1)=2454117
2.1.2.8. Среднее значение скорости компонента на выходе из форсунки
W_ок=m ̇_(ф.ок.)/(ρ_ок∙F_ф ),
где ρ_гг - плотность компонента на входе в форсунку
W_ок=0,0466/(1140∙9,498∙〖10〗^(-7) )=43,05 м/с
2.1.2.9. Коэффициент расхода форсунки для безотрывного режима истечения
μ=1/√(K+λ l_с/d_с ) ,
Где К - потери на входе, связанные с перестройкой профиля скоростей, сжатием и расширением потока;
λ - коэффициент линейного гидравлического сопротивления форсунки.
При турбулентном течении компонента, когда Re > 10000, λ=0,031,
K=1+2,65λ=1,082.
μ=1/√(1,082+0,031∙1,545)=0,9406
2.1.2.10. Перепад давления на форсунке, обеспечивающий требуемый расход компонента топлива через форсунку
Δp_ф=〖m ̇_(ф.ок.)〗^2/(2ρ〖∙μ〗^2∙〖F_ф〗^2 )=〖0,0466〗^2/(2∙1140〖∙0,9406〗^2∙(9,498∙〖10〗^(-7) )^2 )=0,6894 Мпа
Полученный перепад давления не выходит за пределы диапазона Δp_ф=0,3...1,5 МПа.
2.1.3. Определим площадь сопла двухкомпонентной форсунки на выходе
F_ф=F_(ф.в)+F_(ф.н)=m ̇_(ф.гг.)/(μ∙ρ_гг∙(p_к/ρ_(вх.гг) )^(1/n)∙√(2∙n/(n-1)∙R_гг∙T_гг [1-(p_к/ρ_(вх.гг) )^((n-1)/n) ] ))+m ̇_(ф.ок.)/(ρ_ок∙W_ок )==0,117/(0,8129∙12,45∙((21∙〖10〗^6)/(21,7∙〖10〗^6 ))^(1/1,3542)∙√(2∙1,3542/(1,3542-1)∙2160,8∙806,8[1-((21∙〖10〗^6)/(21,7∙〖10〗^6 ))^((1,3542-1)/1,3542) ] ))+0,373/(1140∙43,05)=4,272∙〖10〗^(-5)
2.1.4. Минимальный диаметр сопла двухкомпонентной форсунки на выходе
d_(с.ф)=√((4∙F_ф)/π)=√((4∙4,272∙〖10〗^(-5))/3,14)=0,00738 мм
Примем d_(с.ф)=7,7 мм
2.1.5. Чертим спроектированную двухкомпонентную струйно-струйную газожидкостную форсунку с внутренним смешением по полученным геометрическим размерам в масштабе 5:1. Результат построений приведен на рисунке 2.
Рис.2. Ядерная двухкомпонентная струйно-струйная газожидкостная форсунка с внутренним смешением. М (5:1)
2.2. Пристеночная двухкомпонентная струйно-струйная газожидкостная форсунка с внутренним смешением
2.2.1. Расчет внутреннего контура струйно-струйной пристеночной форсунки, подающего генераторный газ.
Внутренний контур пристеночной струйно-струйной форсунки, подающей восстановительный генераторный газ, представляет собой однокомпонентную газовую струйную форсунку. 2.2.1.1. Выбираем диаметр проходного сечения или диаметр сопла форсунки на выходе d_(с.в.) Этот диаметр может находиться в пределах 0,5 мм≤d_(с.в.)≤D_(ф.в) . Примем его равным 6,2 мм.
2.2.1.2. Определяем длину форсунки или длину сопла форсунки l_(с.в.).
Примем l_(с.в.)=5 мм.
2.2.1.3. Выбираем форму кромки канала со стороны входа компонента в форсунку.
Наиболее часто применяются газовые форсунки с фаской.
2.2.1.4. Находим относительную длину струйной форсунки
l_(с.в.)/d_(с.в.) =5/6,2=0,806
2.2.1.5. Площадь сопла форсунки на выходе
F_(ф.в)=(〖π∙d〗_(с.в.)^2)/4=(π∙〖6,2〗^2)/4=3,075∙〖10〗^(-5) м^2
2.2.1.6. Число Рейнольдса
Re=(4∙m ̇_(ф.гг.))/(π∙η_гг∙d_(с.в.) ),
где m ̇_(ф.гг.) - массовый расход генераторного газа через одну форсунку,
〖 η〗_гг - динамическая вязкость генераторного газа.
Re=(4∙0,0993)/(π∙0,217∙〖10〗^(-4)∙6,2)=866440
2.2.1.7. Среднее значение скорости генераторного газа на выходе из форсунки
W_гг=m ̇_(ф.гг.)/(ρ_гг∙F_(ф.в) ),
где ρ_гг - плотность генераторного газа на входе в форсунку
W_гг=0,0993/(12,45∙3,075∙〖10〗^(-5) )=264,4 м/с
2.2.1.8. Коэффициент расхода форсунки μ=(1,23+(58∙l_(с.в.))/(Re∙d_(с.в.) )∙μ)^(-1) или
μ=(√(〖1,23〗^2+232∙l_(с.в.)/Re∙d_(с.в.) )-1,23)/(116∙l_(с.в.)/Re∙d_(с.в.) )=(√(〖1,23〗^2+232∙5/Re∙6,2)-1,23)/(116∙5/Re∙6,2)=0,8129
2.2.1.9. Давление генераторного газа на входе в форсунку
p_(вх.гг)=p_к+Δp_(ф.в) ,
где p_к - давление на входе в камеру сгорания,
Δp_(ф.в) - перепад давления на внутреннем контуре струйной газовой форсунки.
p_(вх.гг)=21∙〖10〗^6+0,7∙〖10〗^6=21,7∙〖10〗^6 Па
2.2.1.10. Плотность генераторного газа на входе в форсунку
ρ_(вх.гг)=p_(вх.гг)/(R_гг∙T_гг ),
где T_гг - температура генераторного газа на входе в форсунку
ρ_(вх.гг)=(21,7∙〖10〗^6)/(2160,8∙806,8)=12,45 кг/м^3
2.2.1.11. Площадь сопла форсунки на выходе F_(ф.в)=m ̇_(ф.гг.)/(μ∙ρ_гг∙(p_к/ρ_(вх.гг) )^(1/n)∙√(2∙n/(n-1)∙R_гг∙T_гг [1-(p_к/ρ_(вх.гг) )^((n-1)/n) ] ))==0,0993/(0,8129∙12,45∙((21∙〖10〗^6)/(21,7∙〖10〗^6 ))^(1/1,3542)∙√(2∙1,3542/(1,3542-1)∙2160,8∙806,8[1-((21∙〖10〗^6)/(21,7∙〖10〗^6 ))^((1,3542-1)/1,3542) ] ))=2,978∙〖10〗^(-5) м^2
2.2.1.12. Диаметр сопла форсунки, обеспечивающей требуемый массовый расход генераторного газа при выбранном перепаде давления на форсунке,
d_(с.в.)=√((4∙F_(ф.в))/π)=√((4∙2,978∙〖10〗^(-5))/π)=0,006161 м=6,161 мм
Окончательно принимаем d_(с.в.)=6,2 мм.
2.2.2. Расчет внешнего контура струйно-струйной пристеночной форсунки, подающего жидкий кислород
Внешний контур пристеночной струйно-струйной форсунки, подающей жидкий кислород, представляет собой однокомпонентную жидкостную струйную форсунку. Число струйных форсунок окислителя в наружном контуре двухкомпонентной форсунки n_ф=4, массовый расход через одну форсунку
m ̇_(1ф.ок.пр)=m ̇_(ф.ок.пр)/n_ф =0,08645/4=0,02161 кг/с.
2.2.2.1. Выбираем в первом приближении диаметр проходного сечения или диаметр сопла форсунки на выходе d_с. Этот диаметр может находиться в пределах 0,2 мм≤d_с≤D_ф. Примем d_с=0,75 мм.
2.2.2.2. Определяем в первом приближении длину форсунки или длину сопла форсунки.
Примем l=1,3 мм.
2.2.2.3. Выбираем форму кромки канала со стороны входа компонента в форсунку.
Выберем форму канала с острой входной кромкой.
2.2.2.4. Находим относительную длину форсунки l_ /d_с =1,3/0,75=1,733
2.2.2.5.Определяем режим работы струйной жидкостной форсунки У струйных форсунок с острой входной кромкой при l/d_c>1,5 возможна реализация безотрывного режима истечения, когда струя компонента заполняет всё выходное сечение форсунки.
2.2.2.6. Площадь сопла форсунки
F_ф=(〖π∙d〗_с^2)/4=(π∙〖0,75〗^2)/4=4,416∙〖10〗^(-7)
2.2.2.7. Число Рейнольдса
Re=(4∙m ̇_(ф.ок.))/(π∙η_ок∙d_с )=(4∙0,02161)/(π∙0,22∙〖10〗^(-4)∙0,75)=1668643
2.2.2.8. Среднее значение скорости компонента на выходе из форсунки
W_ок=m ̇_(ф.ок.)/(ρ_ок∙F_ф ),
где ρ_гг - плотность компонента на входе в форсунку
W_ок=0,02161/(1140∙4,416∙〖10〗^(-7) )=42,94 м/с
2.2.2.9. Коэффициент расхода форсунки для безотрывного режима истечения
μ=1/√(K+λ l_с/d_с ) ,
Где К - потери на входе, связанные с перестройкой профиля скоростей, сжатием и расширением потока;
λ - коэффициент линейного гидравлического сопротивления форсунки.
При турбулентном течении компонента, когда Re > 10000, λ=0,031,
K=1+2,65λ=1,082.
μ=1/√(1,082+0,031∙1,733)=0,9382
2.2.2.10. Перепад давления на форсунке, обеспечивающий требуемый расход компонента топлива через форсунку
Δp_ф=〖m ̇_(ф.ок.)〗^2/(2ρ〖∙μ〗^2∙〖F_ф〗^2 )=〖0,02161〗^2/(2∙1140〖∙0,9382〗^2∙(4,416∙〖10〗^(-7) )^2 )=0,6892 Мпа
Полученный перепад давления не выходит за пределы диапазона Δp_ф=0,3...1,5 МПа.
2.2.3. Определим площадь сопла двухкомпонентной форсунки на выходе
F_ф=F_(ф.в)+F_(ф.н)=m ̇_(ф.гг.)/(μ∙ρ_гг∙(p_к/ρ_(вх.гг) )^(1/n)∙√(2∙n/(n-1)∙R_гг∙T_гг [1-(p_к/ρ_(вх.гг) )^((n-1)/n) ] ))+m ̇_(ф.ок.)/(ρ_ок∙W_ок )==0,0993/(0,8129∙12,45∙((21∙〖10〗^6)/(21,7∙〖10〗^6 ))^(1/1,3542)∙√(2∙1,3542/(1,3542-1)∙2160,8∙806,8[1-((21∙〖10〗^6)/(21,7∙〖10〗^6 ))^((1,3542-1)/1,3542) ] ))+0,08645/(1140∙42,94)=3,156∙〖10〗^(-5)
2.2.4. Минимальный диаметр сопла двухкомпонентной форсунки на выходе
d_(с.ф)=√((4∙F_ф)/π)=√((4∙3,156∙〖10〗^(-5))/π)=0,006341 мм
Примем d_(с.ф)=6,6 мм.
2.2.5. Чертим спроектированную двухкомпонентную струйно-струйную газожидкостную форсунку с внутренним смешением по полученным геометрическим размерам в масштабе 5:1. Результат построения приведен на рисунке 3.
Рис. 3. Пристеночная двухкомпонентная струйно-струйная газожидкостная форсунка с внутренним смешением. М (5:1)
3. ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СПРОЕКТИРОВАННЫХ ФОРСУНОК С ПОМОЩЬЮ САПР "СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕ В ЖРД"
3.1. Поверочный расчет спроектированной ядерной форсунки
Проведем поверочный расчет ядерной двухкомпонентной струйно-струйной газожидкостной форсунки с помощью САПР "Смесеобразование в ЖРД".
3.1.1. Исходные данные для поверочного расчета.
Форсунка, подающая генераторный газ
Форсунка, подающая жидкий кислород
3.1.2. Результаты поверочного расчета.
Проанализируем полученные результаты расчета, сравнив их с результатами ручного проектирования.
Результаты проверочного расчета отличаются от результатов ручного расчета не более, чем на 3%, следовательно, расчет можно считать верным.
3.2. Поверочный расчет спроектированной
пристеночной форсунки
Проведем поверочный расчет пристеночной двухкомпонентной струйно-струйной газожидкостной форсунки с помощью САПР "Смесеобразование в ЖРД".
3.2.1. Исходные данные для проверочного расчета.
Форсунка, подающая генераторный газ
Форсунка, подающая жидкий кислород
3.2.2. Результаты поверочного расчета.
Проанализируем полученные результаты расчета, сравнив их с результатами ручного проектирования.
Результаты проверочного расчета отличаются от результатов ручного расчета не более, чем на 3%, следовательно, расчет можно считать верным.
3.3. Параметрическое исследование спроектированных форсунок
Параметрическое исследование произведем на примере двухкомпонентной ядерной форсунки. Проанализируем зависимость тонкости распыла и внутреннего диаметра от перепада давления на форсунке (рис. 4 и 5).
Рис.4. График зависимости тонкости распыла от перепада давления на форсунке
Рис. 5. График зависимости внутреннего диаметра от перепада давления на форсунке
При увеличении перепада давления на форсунке медианный диаметр капель распыляемого компонента сначала резко возрастает, т.е. ухудшается тонкость распыла форсунки. Достигнув значения 253,8 мкм, медианный диаметр не изменяется. Но один из компонентов топлива - жидкий кислород, при попадании в камеру, где параметры выше критических, он по всему объему переходит в газ. Поэтому большой роли медианный диаметр капель в данном случае не играет. Так же с ростом перепада давления уменьшается внутренний диаметр форсунки, что позволяет разместить большее их количество на смесительной головке, а это в свою очередь обеспечит более качественный распыл и смешение компонентов топлива.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Произведен проектный и гидрогазодинамический расчет смесительной головки с форсунками, основные параметры которых представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Основные параметры спроектированных форсунок
ПараметрЯдерная форсункаПристеночная форсункаКоэффициент расхода μ0,9410,938Медианный диаметр d_м,мм328,1253,8
Из таблицы 1 видно, что медианный диаметр ядерных форсунок d_м=328,1мм, пристеночных d_м=253,8 мм. Из вышесказанного следует, что спроектированная смесительная головка позволяет получить хорошую тонкость распыла, а значит обеспечивает выбранный ранее коэффициент камеры сгорания = 0,97.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Алемасов, В.Е. Теория ракетных двигателей: учеб.для студентов вузов / В.Е. Алемасов, А.Ф. Дрегалин, А.П. Тишин; под ред. В.П. Глушко. - М.: Машиностроение, 1989. - 464 с.: ил.
Добровольский, М.В. Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования: учеб. Для вузов / М.В. Добровольский; под ред. Ягодникова. - 2-е изд., перераб. И доп. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. - 448 с.: ил.
Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания: справочник в 10 т. / под ред. Акад. В.П. Глушко. - М.: ВИНИТИ АН СССР, 1971 - 1979.
Егорычев, В.С. Топлива химических ракетных двигателей: учеб. Пособие / В.С. Егорычев, В.С. Кондрусев. - Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2007. - 72 с.: ил.
Егорычев, В.С. Расчёт и проектирование смесеобразования в камере ЖРД: учеб.пособие / В.С. Егорычев.- Самара: Изд-во СГАУ, 2011.-100 с.
СТО СГАУ 02068410-004-2007. Общие требования к учебным текстовым документам. / Стандарт организации. Комплексная система управления качеством деятельности ВУЗа. - Самара: СГАУ, 2007 - 32с.
2
Документ
Категория
Рефераты
Просмотров
268
Размер файла
1 668 Кб
Теги
трипрд, форсунки, курсач, громова
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа