Относительная оценка эффективности коксиальных соосно-струйных форсунок с профилированной многолучевой выходной частью

УДК 621.454

ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ КОКСИАЛЬНЫХ СООСНО-СТРУЙНЫХ ФОРСУНОК С ПРОФИЛИРОВАННОЙ МНОГОЛУЧЕВОЙ ВЫХОДНОЙ ЧАСТЬЮ В.В. Черниченко, Н.Д. Вервейко

Представлены результаты работ по исследованию относительной эффективности смешения компонентов топлива в камере ЖРД при использовании коаксиальных соосно-струйных форсунок с профилированной многолучевой выходной частью. В качестве параметра, характеризующего уменьшение длины зоны смешения компонентов топлива, используется увеличение относительной площади контакта компонентов топлива в форсунке

Ключевые слова: форсунка, длина струи, периметр контакта компонентов

Постановка задачи

Процесс смесеобразования компонентов топлива в смесительной головке камеры ЖРД обеспечивает равномерное распределение компонентов топлива по части объема камеры ЖРД, однородность смеси по соотношению компонентов, минимально возможную глубину зоны смесеобразования, гидродинамическую устойчивость самой зоны по отношению к возмущениям скорости, давления, завихренности и температуры смеси, а также ряд других параметров и свойств смеси в заранее заданных пределах.

Целью предлагаемой статьи является оценка качества смесеобразования соосно-струйных форсунок за счет увеличения площади контакта компонентов топлива при сохранении основных характеристик форсунки по расходу и соотношению компонентов топлива.

Физические механизмы разрушения поверхности струй

Известны различные механизмы разрушения жидкой цилиндрической струи, внедряющейся в неограниченное пространство, среди которых необходимо отметить: поперечный по отношению к оси струи перенос продольного количества движения, ускоряющего внешнюю часть жидкости и подтормаживающего часть жидкой струи, что обусловлено развитием турбулентности во внедряющейся струе.

Как показывают теоретические исследования нелинейных уравнений гидродинамики идеальной жидкости, т.е. без учета вязких свойств реальных жидкостей, эффект разрушения струй носит внутренний, присущий самому процессу характер. В современной терминологии это явление носит синергетический характер, обусловленный сложностью нелинейностью самого течения. Анализ1 устойчивости гидродинамических течений оформился в целое научное направление [6],

Черниченко Владимир Викторович- ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: vlad1427@vandex.ru, тел. 243-76-62 Вервейко Николай Дмитриевич. - ВГУ, д-р техн. наук, профессор,

«гидродинамическая устойчивость», результаты которого нашли практическое применение в том числе, и в расчетах ЖРД.

При анализе механизма разрушения струй (рис.1), как показали исследования [6], их устойчивость определяется устойчивостью поверхности самой струи, на которую влияют следующие факторы: разность скоростей струи и окружающей ее среды; отличие плотностей вещества струи и окружающей ее среды; величина поверхностного натяжения жидкости.

Сам механизм неустойчивости границы

Рис. 1. Форма струи эталонной коаксиальной соосно-струйной форсунки

жидкость/струя имеет две формы, Релея и Гельмгольца, характер которых представлен на рис.2, в предположении, что граница раздела струя /жидкость представляет собой тонкий слой.

X

О х

Рис. 2. Характер разрушения струи

Другой причиной, обеспечивающей

разрушение жидких струй при их внедрении в окружающую среду, в частности, в попутный поток газа, безусловно, следует назвать влияние сил вязкости [1,6], приводящих к процессу выравнивания скоростей в струе и в окружающей струе газа. Это выравнивание ведет к образованию так называемого «пограничного слоя» - зоны плавного перехода скорости от значения скорости струи до значения скорости окружающей струю зоны.

При расчете зоны смесеобразования в смесительной головке камеры ЖРД необходимо также учитывать влияние теплового радиационного потока на распад струи, т.к. радиационный тепловой поток пропорционален фактически температуре горения компонентов топлива в четвертой степени и ведет к уменьшению вязкости компонентов.

Из анализа факторов, ведущих к разрушению струи жидкости при смесеобразовании в ЖРД, следует, что влияние неустойчивости течения и влияние вязкости компонентов топлива пропорционально суммарной поверхности контакта компонентов топлива, а влияние радиационного потока тепла на зону смесеобразования пропорционально объему V зоны

смесеобразования, т.е. V = 2 (рис.1). Таким

образом, увеличение суммарной площади контакта двух компонентов топлива напрямую ведет к уменьшению длины зоны смесеобразования.

Конструктивные особенности соосноструйных форсунок и их модификаций

Для кислородно-водородных ЖРД применяются в основном коаксиальные соосноструйные форсунки, состоящие в общем случае из корпуса с полым наконечником, через который подается окислитель-кислород, и втулки, охватывающей с зазором наконечник, при этом через кольцевой зазор подается горючее - водород или генераторный газ с избытком горючего (рис.3).

А

1 - наконечник окислителя,

2 - втулка горючего

Рис. 3

Соосно-струйная форсунка кисло-родноводородного двигателя РД0120 (рис. 4) состоит из цилиндрического корпуса 1, с одной стороны которого установлен наконечник 2 для подачи генераторного газа, а с другой- наконечник окислителя 3. Между корпусом 1 и наконечником окислителя 3 установлен жиклер 5 для настройки форсунки на заданный расход. Внутри корпуса выполнены пилоны, в которых расположены каналы 4 для подачи окислителя внутрь наконечника окислителя форсунки и каналы 6 для подачи генераторного газа. В выходной части наконечника окислителя с кольцевым зазором установлена втулка 7 для подачи горючего, состоящего из генераторного газа и водорода, в камеру сгорания.

1 У

Рис . 4. Соосно-струйная форсунка двигателя РД0120

1-корпус; 2-наконечник; 3-

наконечник окислителя; 4-

каналы; 5-жиклер; 6-канал

генераторного гязя' 7-втупкя

Конструкция соосно-струйной форсунки

кислородно-водородного двигателя ББМЕ

представлена на рис. 5.

1 2 3 4 5 6 7 8

Рис. 5. Соосно-струйная форсунка двигателя 88 МБ 1-днище; 2-наконечник; 3-спиральные ребра; 4-пористые фильтры; 5-втулка с каналами; 6-втулка; 7-вставка; 8-пористое днище

В указанной форсунке окислитель подается через канал 2, горючее - через втулки 5. На втулки 5 форсунки надеты специальные фильтры 4 с достаточно мелкими отверстиями, которые помимо своей основной функции - фильтрации мелких частиц, выполняют роль спрямляющих решеток или накопительных коллекторов.

Необходимо отметить, что, несмотря на различие конструкций, выходная часть обеих форсунки остается практически постоянной - полая втулка, охватывающая с кольцевым зазором наконечник.

Принципиальной особенностью обеих форсунок является подача в камеру сгорания окислителя в виде центральной сплошной струи и горючего в виде полой периферийной струи. Качественный характер поведения центральной струи и окружающего струю слоя показан на рис.3.

Анализ научно-технической информации и патентный поиск, выполненные авторами, позволил выявить технические решения, применение которых позволит увеличить полноту смесеобразования в созданных и вновь разрабатываемых перспективных кислородноводородных ЖРД.

В патенте РФ на изобретение № 2161719 (рис.6) [4] представлена соосно-струйная форсунка преимущественно для смесительных головок кислородно-водородных ЖРД, в которой в выходной части наконечника выполнены

радиально расположенные пазы, а внутренняя поверхность втулки выполнена эквидистантно профилированной наружной поверхности пазов наконечника.

Рис.6. Соосно-струйная форсунка по патенту РФ на изобретение №2161719 1-корпус форсунки; 2-кислородный канал; 3-профилированное выходное сечение; 4-эквидистантный зазор; 5-втулка

Окислитель из полости окислителя по осевому каналу 2 внутри наконечника 1 подается в камеру сгорания. В месте расположения радиальных пазов 3 струя окислителя принимает форму выходного сечения наконечника, в данном

случае форму радиальных пазов 3, что приводит к изменению формы поперечного сечения струи и увеличению периметра контакта при неизменной площади сечения.

Увеличение полноты смесеобразования при использовании данных форсунок происходит за счет профилирования выходной части струи, увеличения периметра контакта компонентов и уменьшения длины нераспавшейся части струи.

В настоящее время наиболее полно исследована форсунка с наконечником с четырьмя лучами, так называемая «крестовая», что объясняется достаточно высокой

технологичностью и незначительным ростом ее габаритных размеров при профилировании наконечника.

В то же время, необходимо отметить, что, несмотря на значительную простоту конструкции и технологии изготовления, при четырех лучах в струе окислителя остается достаточно выраженная центральная часть.

Такое изменение формы выходного сечения, с круглого на четырех лучевое, с одной стороны, позволяет улучшить условия разрушения струи по сравнению с форсункой с круглой струей, с другой

- наличие достаточно выраженной центральной части струи не позволяет в полной мере реализовать преимущества данного технического решения.

Дальнейшим развитием данной конструкции является форсунка, представленная в патенте РФ на изобретение № №2291977 (рис.7) [5]. В этом случае в выходной части наконечника выполнены радиально расположенные пазы, внутренняя

поверхность втулки выполнена эквидистантно профилированной наружной поверхности пазов наконечника, при этом оговаривается, что число пазов наконечника должно быть равно трем.

Рис. 7. Соосно-струйная форсунка по патенту России №2291977: 1-корпус форсунки; 2-кислородный канал; 3-профилированное выходное сечение; 4-эквидистантный зазор; 5-втулка

Изменение формы струи окислителя с круглой на трехлучевую звездообразную при неизменной площади выходного сечения улучшает условия разрушения струи, позволяет уменьшить характерный поперечный размер струи и длину нераспавшейся части струи. Следовательно, на выходе из наконечника струя окислителя более склонна к потере своей целостности и быстрее распадается. Т акое воздействие на струю позволяет улучшить условия перемешивания компонентов на всех режимах.

Относительная оценка эффективности трех и четырех лучевых форсунок на основе сравнения площадей поперечного сечения центральных струй

Проведенные аналитические исследования показали, что для форсунки с четырьмя лучами площадь центральной части струи больше в 1,9-2 раза по сравнению с площадью центральной части струи для форсунки с тремя лучами для случая с плавными радиусами переходов и до 1,9-2,3 для случая с прямолинейными участками, что позволяет сделать вывод о преимуществах форсунки с выходным сечением с тремя лучами.

Площадь центральной части трехлучевой струи по отношению к площади выходного сечения струи эталонной форсунки с круглым наконечником составляет (0,11 -0,15)Рэ, а четырехлучевой -(0,22-0,30) Гэ(рис.8).

Рис. 8. Поперечное сечение круглой, трехлучевой и четырехлучевой струй равной площади поперечного сечения

Введем следующие обозначения

геометрических параметров форсунок:

do, ёо - диаметры центральной части струи

стандартной и профилированной соосно-струйной форсунок соответственно;

На основании проведенных аналитических исследований установлено, что для форсунки с профилированным наконечником с тремя ребрами периметр контакта увеличивается с П=1Пэ, где: Пэ -периметр контакта компонентов эталонной форсунки, до П=(1,6...1,8)Пэ по сравнению с эталонной форсункой, а для форсунки с профилированным наконечником с четырьмя ребрами - с П=1Пэ до П=(1,25... 1,5)Пэ

Форсунки с профилированным наконечником с пятью лучами обеспечивают увеличение периметра контакта компонентов с П=1Пэ, до П=(1,1... 1,3)Пэ по сравнению с круглым выходным сечением. При этом поперечное сечение струи имеет ярко выраженную центральную часть с небольшими лучами, что практически не сказывается на условиях распада струи.

Дальнейшее увеличение числа лучей более трех-четырех представляется нецелесообразным, учитывая значительное усложнение технологии изготовления и незначительный эффект или полное его отсутствие от профилирования сечения.

Основные геометрические параметры для круглой струи и струй с трех/четырех/пятилучевыми наконечниками при равной толщине луча приведены в таблице.

Необходимо отметить, что струя из

сплошной круглой может быть трансформирована и в полую кольцевую, что также позволяет улучшить условия разрушения струи окислителя.

Относительная оценка эффективности трех и четырех лучевых форсунок на основе сравнения площадей поперечного сечения центральных струй

Проведем далее оценку изменения

периметра контакта двух струй компонентов топлива за счет формирования лучей в выходной части форсунки.

Ъо, Ъо - диаметры внешнего контура

щелевой полой струи стандартной и профилированной соосно-струйной форсунок

соответственно;

I - длина лучей;

п - количество лучей.

Рассмотрим ограничения, налагаемые на параметры форсунок с профилированным выходом, исходя из условия сохранения расходов компонентов топлива и сохранения заданного соотношения расходов компонентов топлива.

Для типовой форсунки с круглым выходным сечением имеем следующие значения площадей поперечного сечения, расходов и периметра контакта струй: р 2

£ =/и* 0 - площадь поперечного сечения

струи окислителя;

£ =Р(Ъ2 -d2)- площадь поперечного

сечения струи горючего;

в0 =~Ръ і02 • у0- РасхоД окислителя; в, =рРг (ОІ - і02) • V,- Расход гоРючего;

с = к = в0 = р____________________^

в, Р, А2 - і 02

V0 - соотношение

рі -^0 1 0 У компонентов топлива;

периметр компонентов топлива.

р=л 0-

контакта струи

Параметр Форсунка с круглым выходным сечением Форсунка с профилированным выходным сечением с тремя лучами Форсунка с профилированным выходным сечением с четырьмя лучами Форсунка с профилированным выходным сечением с пятью лучами

Площадь струи окислителя на выходе ж•і2 р і2 ж^ і2 ж •і2

4 4 4 4

Площадь центральной части струи окислителя на выходе ж •і2 ж • і2 (0 11-0 15) “ ж • і2 (0 99-0 30) " “ ж • і2 (0 75-0 85) “

4 4 4 4

Периметр контакта компонентов л а (і^-ід^ а (1,25-1,5))л • а (і,і-і,з)л • а

Максимальный габаритный размер струи на выходе а (1,25-1,8)ё (1,2-1,6)ё (1,1-1,2)ё

Длина струи нераспавшейся части жидкости ь (0,16-0,64)Ь (0,4-0,8)Ь (0,85-0,95)Ь

Аналогично, для форсунки

профилированным выходным сечением:

~0 =Р4^ +

площадь поперечного

сечения струи окислителя; ~і

площадь

4

поперечного сечения струи горючего;

<2о = р -уо • So - расход окислителя;

Q1 = г • у1 • 51 - расход горючего;

Р = т~0 + 21 •п - (к0 + и - периметр

контакта струй компонентов топлива.

В качестве определяющих критериев необходимо обеспечить равенство площадей поперечного сечения струй двух компонентов и соотношения расхода компонентов для обоих случаев.

;

ж

4

;

4 0

Л

кт =Х = Х =

~ + /к0п

Ро 'Уо 5 = Ро У, 4 °

рі •у 5 рі ^1 Р(Д2 -~2) + 2/•к, п

Таким образом, после проведения преобразований, три уравнения сохранения представлены в виде выражений (3.1).

С точки зрения укорочения длины

Ьр нераспавшейся части струи в зоне

смесеобразования, целесообразно исследовать относительное увеличение длины периметра контакта струй двух компонентов топлива:

1 Р 7її10 + 2/ • п - (ко + 2к,) • п

Р ті,

Конструктивно

профилирование

поперечного сечения выходной части коаксиальной соосно-струйной форсунки задается пятью параметрами: I,~ ,5 и Л1, на которые наложены

три ограничения (3.1) выполнения законов сохранения - площадей поперечного сечения и соотношения расхода компонентов топлива. Отсюда следует вывод, что выбор оптимальной формы выходного сечения форсунки -неоднозначен.

Рассмотрим эффективность многолучевых форсунок, т.е. проведем оценку относительного увеличение длины периметра контакта двух компонентов топлива:

1 = р/р

с

п

где: 1- коэффициент интенсивности

многолучевых форсунок.

Для этого условия сохранения площадей поперечного сечения компонентов топлива и соотношения расходов компонентов топлива представим в безразмерной форме, введя следующие величины:

= 30 / Ло;

Ло = do/ do =1;

~ = ~о / Ло;

~ = V Ло ;

/ = I / Ло;

~о = 1 - 2~о;

До = 1 + 2^о;

/5 = ц,- 2~,.

Из первого уравнения (3.1) получим:

/•Ы = 2 - ~о

Из второго уравнения (3.1) получим:

/•Ы-~ = я-~о

Выражение для соотношения компонентов топлива принимает вид:

= к =Роуо я(1 - 2~)2 + 4~о'1 ;Ы (3.5) " Л-VI 4жйо(1 + ко)-8лко2 + 8^ • 7-Ы

Используя выражения (3.3-3.5), упростим вид уравнения коэффициента интенсивности многолучевых форсунок:

12 - 1

Л = -7 + Ы•/•

я я • / I

(Л = Р ^ 1; 0 Р / ; N = 2,3,4...).

Р

Выражение (3.6) для 1 представляет собой функцию двух переменных N и / , которые не связаны между собой, но имеют ограничения на N и / . Построить функцию Л(N, /) в виде

поверхности над плоскостью (N, /) не

представляется возможным аналитически, но, в то же время, это возможно выполнить для фиксированных значений N = 3 и N. = 4 и оценить

X

значение

1 -14 = А 34 . Превышение

полноты

сгорания компонентов топлива трехлучевой форсунки над четырехлучевой получим в случае А 34 ^ 0, а в случае А 34 Р 0 четырехлучевая

форсунка имеет эффективность более высокую, чем трехлучевая.

Тогда:

_ і 2 - -

1 =-7 + 3/

л ж •/

- 1 2 - -

14 =-7 + 4/ •(Ш +---------=) +16/ •О -2ж•/).

ж ж^ /

Из уравнений (3.7) получаем выражение

для А 34:

Д34 = -/ 410 + - —^)-7/ 41 -2ж•/)

ж ж/

Выражение для А34 представляет собой

квадратичную параболу, ветви которой направлены вверх:

Д34 = 14ж^/2 -

ж ж

Для построения графика А34(/) найдем корни уравнения А 34 = 0.

/1 » 0,05; /2 » 0,35, А34 = 13 -14

Из рис. 9 следует, что эффективность

Рис. 9. Качественное поведение графика превышения эффективности трехлучевой форсунки над четырехлучевой

трехлучевой форсунки выше четырехлучевой в диапазоне малых длин лучей / Р 0,05Ло и в

диапазоне лучей большой длины / ^ 0,35Ло . В диапазоне 0,05Ло Р / Р 0,35Ло эффективнее четырехлучевая форсунка.

Литература

1. Алемасов В.Е. и др. «Теория ракетных

двигателей»: Учебник для студентов

машиностроительных специальностей вузов, М., Машиностроение, 1980, 388 стр.

2. Горохов В.Д., Лобов С.Д., Рубинский В.Р., Черниченко В.В. Повышение экономичности рабочего процесса в современных и перспективных кислородноводородных жидкостных ракетных двигателях Вестник Воронежского государственного технического университета, том 3, №6, 2007. стр.65-70, Воронеж, ВГТУ, 2007

3. Горохов В.Д. , Рубинский В.Р., Черниченко В.В. Соосно-струйная форсунка. Патент РФ на изобретение № 2298729. Заявка №2005128531 от 14.09.05. МПК:Б02К.

4. Горохов В.Д., Лобов С.Д., Черниченко В.В. Соосно-струйная форсунка. Патент РФ №2161719 от 23.02.99.

5. Добровольский М.В. Жидкостные ракетные

двигатели. Основы проектирования. Учебник для

вузов. М., Машиностроение, 1968, 396с.

6. Burick R. I. Optimum Design of Space Storable Gas/Liquid Coaxial Injectors. Rocket dyne/North. American Rockwell Corporation ConAgra Park, California, 1972, 11 p.

7. Michael Popp. Cryogenic Engine Thrust Chamber Technologies, Paper 4.3, p.1-20, 5th AAAF International Symposium/Propulsion in Space Transportation, Paris, France, 1996,21p.

8. Rachuk, V.S., Goncharov, N.S., Martynyenko, Y.,A., Barinshtein, B.M., and Sciorelli, F.A. «Design, Development, and History of the Oxygen/Hydrogen Engine RD-0120», AIAA 95-2540, AIAA/SAE/ASME 31 th Joint Propulsion Conference, San Diego, CA,1995.

9. Форсунка для основного двигателя Спейс Шаттла. -Технический перевод СГ-3605. Л., 1987.-12с

Воронежский государственный технический университет Воронежский государственный университет

RELATIVE EVALUATION OF THE EFFECTIVENESS OF COAXIAL CO-AXIS-STREAM JETS WITH PROFILE MULTIBEAM DISCHARGE PART V.V. Chernichenko, N.D. Verveiko

The results of the work on the investigation of relative effectiveness in liquid-propellant engine (LPE) chamber when using the co-axial co-axis stream gets with profile multibeam discharge part are presented in the paper. The increase of the relative area of contact of the fuel components in the jet is used as a parameter characterizing the decrease of the length of mixing zone of fuel components

Key words: jet, length of the stream, perimeter of the contact of the components