CC BY
36
3. Магнус К. Колебания: Введение в исследование колебательных систем. Перевод с нем. - М.: Мир, 1982, - 304 с., ил.
4. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. М., 1965г., 856 с., ил.
5. Прохоров, В.Ю. Модернизация транспортных и технологических машин с помощью альтернативных материалов. / В.Ю. Прохоров, И.Г. Голубев // Лесная промышленность. - 2004. - № 4. С. 24-27.
6. Прохоров, В.Ю. Повышение износостойкости шарнирных сопряжений манипуляторов лесозаготовительных машин / Труды Международного симпозиума Надежность и качество. - 2011. - Т. 2. - С. 198199.
7. Иванов Г.А. Влияние параметров дерева на собственную форму и частоты колебаний ствола дерева./ Иванов Г.А., Шиповский А.А., Иванов К.А., Шумбасов В.В. // Лесной вестник, - В 4. - М.: МГУЛ, 2012. С. 103...110.
8. Иванов Г.А. Уравнения образующей профиля кроны и дерева в целом. //Лесной вестник, - В 6. -М.: МГУЛ, 2000. С. 197.201.
УДК 629.7.018.3
Яшин А.Г., Алилуев С.В. , Григорусь Е.Н., Сергушов И.В.
АО «Конструкторское бюро промышленной автоматики», Саратов, Россия
ПРОЕКТНЫЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО МЕХАНИЗМА БЕНЗИНОВОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ФОРСУНКИ ПОРШНЕВОГО АВИАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ В СОСТАВЕ СТЕНДА НЕСУЩЕЙ СИСТЕМЫ МАЛОГО БЕСПИЛОТНОГО ВЕРТОЛЕТА
Проведен проектный гидравлический расчет струйной электромагнитной форсунки поршневого авиационного двигателя, по параметрам которого может быть спроектирован опытный образец. В ходе расчета был определен режим работы струйной жидкостной форсунки, вычислены среднее значение скорости топлива на выходе из форсунки, перепад давления на форсунке, обеспечивающий требуемый расход компонента топлива через форсунку, медианный диаметр образовавшихся капель в факеле распыла форсунки, площадь горящей поверхности. Полученные параметры будут использованы при последующем проектировании Ключевые слова:
форсунка, стенд несущей системы малого беспилотного вертолета, поршневой авиационный двигатель, проектный гидравлический расчет
Топливная форсунка - это устройство, предназначенное для распыла и первоначального распределения топлива в объеме камеры сгорания двигателя.
Процесс распыла есть не что иное, как дробление топливной струи на большое количество капель.
Работа любой форсунки жидкого топлива характеризуется качеством распыла, который оценивается следующими параметрами:
1. Средним диаметром капель (тонкость распыла), получаемых в факеле распыла.
2. Шириной диапазона размеров капель в факеле распыленного топлива (однородность распыла). Чем это значение меньше, тем однороднее распыл.
3. Дальнобойностью распыла - глубиной проникновения распыленного облака в газовой среде.
4. Равномерностью распределения жидкости в факеле распыла.
5. Средним углом распыла, измеряемым у среза сопла форсунки.
В составе стенда несущей системы малого беспилотного вертолета [1-3] используется двигатель (рис. 1), в котором, для распыления топлива внутри цилиндров, применены электромагнитные форсунки струйного типа рис. 2 (слева). Для замены иностранного компонента необходимо выполнить проектирование отечественного аналога.
Рисунок 1 - Стенд несущей системы малого беспилотного вертолета
В общем случае задача проектирования форсунок для жидкого топлива заключается в выборе их размеров, обеспечивающих требуемые расходы компонентов топлива при заданном перепаде давления на форсунках [4, 5].
Проектный гидравлический расчет однокомпо-нентной струйной жидкостной форсунки, расчетная схема которой приведена на рис. 2 (справа), проводится в следующей последовательности:
Выбирается в первом приближении диаметр проходного сечения или диаметр сопла форсунки на выходе Этот диаметр может находиться в пре-
делах 0,2< сС<04. Минимальный диаметр сопла форсунки обусловлен легкостью засорения малых проходных сечений форсунки механическими примесями, попавшими случайно в распыляемый жидкий компонент, или твердыми частицами, образовавшимися в
компоненте из-за его физической и химической нестабильности, а также трудностью изготовления тонких отверстий. Максимальный диаметр - прочностью днища смесительной головки камеры и тонкостью распыла компонента. Определяется в первом
приближении длина форсунки или длина сопла форсунки 1. Выбирается форма кромки канала со стороны входа компонента в форсунку. Выбирается форма кромки канала со стороны входа компонента в форсунку.
Рисунок 1 - Струйная форсунка
Форма кромки канала струйной форсунки на входе может быть острой, закругленной по радиусу или с фаской. Форсунки с острой входной кромкой в смесительных головках ЖРД практически не используются. Выбрана форсунка с формой кромки в виде фаски.
Находится относительная длина форсунки или сопла форсунки:
I 5
— =-= 20
4 0,25
Определяется режим работы струйной жидкостной форсунки. У струйных форсунок при с 1/^>1,5 возможна реализация следующих режимов работы:
безотрывной режим истечения, когда струя компонента заполняет все выходное сечение форсунки;
отрывной режим истечения, когда компонент истекает как из отверстия в тонкой стенке, не касаясь стенок сопла форсунки в выходном сечении. Смена режимов истечения происходит скачком при достижении на форсунке необходимого перепада давления;
кавитационный режим истечения. Он имеет место у относительно длинных форсунок и является переходным от безотрывного к отрывному режиму истечения. По мере увеличения скорости истечения происходит расширение кавитационной зоны и ее распространение по длине форсунки к срезу. Длина зоны кавитации определяет степень развития кавитации в потоке.
Кавитационный режим истечения у форсунок является нежелательным, т.к. вызывает неустойчивость рабочего процесса двигателя. Поэтому от кавитационных режимов следует отказаться.
Определяется площадь сопла форсунки
3,14 • 0,0012 с ■ = 78,5 • 10-8 (м)
й, = -
Гф 4 4
Для выбранных параметров Рейнольдса
4тТ 4 • 0,022
п =_1_ = _'_
е щ(1с 3,14 • 0.00217 • 0,001
где ^ - динамическая вязкость компонента топлива (керосин ^ = 0,00217 Па-с), подаваемого через фор-
рассчитывается число
-= 12915
сунку;
массовый расход компонента топлива
через форсунку (22 г/с в целях обеспечения коэффициента избытка окислителя равного а Среднее значение скорости топлива на из форсунки
= 1). выходе
Ш =-
0,022
-= 35 (м/с)
ррф 800 • 78,5 • 10-8
где р - плотность компонента при температуре на входе в форсунку.
Далее определяется коэффициент расхода форсунки ц
Для безотрывного режима истечения
^ =
1
к+я4-
где К - потери на входе, связанные с перестройкой профиля скорости, сжатием и расширением потока;
Я - коэффициент линейного гидравлического сопротивления форсунки.
Коэффициент линейного гидравлического сопротивления форсунки Я при турбулентном течении компонента, когда Re > 10000, Я = 0,031.
Потери на входе струйной форсунки К при переходном и турбулентном течениях, когда Re > 2000:
К = 1 + 2,65Я = 1 + 2,65 • 0,031 = 1,0594,
тогда коэффициент расхода будет равен
^ =
1
0,005
= 0,899
I1,0594 + °,°31 2.5000е — 04
Перепад давления на форсунке, обеспечивающий требуемый расход компонента топлива через форсунку определяется выражением:
0,00252
= 54,40077388
Критерий Вебера
5,5 • 66.17586242 • 0,0025
= 56,10907347
а 24 • 10-3
где - плотность продуктов сгорания в сечении на входе в камеру, куда происходит истечение компонента из форсунки (принята в первом приближении 1 кг/м3); а" - коэффициент поверхностного натяжения впрыскиваемого компонента топлива (2 4-10-3 Н/м).
Медианный диаметр образовавшихся капель в факеле распыла форсунки
-0,333 = 0,0025 •
3,14 4
56,109 0 7 3 47-0,333 = 0,000180 7 2 6 (м)
Таким образом, результаты расчетов совпадают с высокой точностью (погрешность 0,8%).
Покидая форсунку, капли взаимодействуют с набегающей в генераторе Гартмана ударной волной (волной разряжения), которая их деформирует или разрушает. На взаимодействие капли с ударной волной накладывается нестационарность режима движения капли - они ускоряются потоком газа. Кроме того факел распыла полидисперсен, на некотором расстоянии от форсунки скорость капель различных размеров может существенно отличаться, что, в свою очередь, служит причиной их взаимных столкновений. Все вышеперечисленные причины вызывают дополнительный распад капель. В [6] предложена методика оценки критических значений параметров движения капли в газовом потоке, вызывающих ее распад.
Согласно методике, распад капли происходит при превышении критического значения критерия Вебера, равного
где - критическое значение числа Рейнольдса
для жидкости; - динамическая вязкость жид-
кости и воздуха соответственно;рж,рг жидкости и воздуха соответственно,
плотность
2
Т
2р^2Рф 2 • 800 • 0,8992 • 4.9063 • 10-8
т
т
Г =
ОДА
Однако и эти параметры отражают далеко не все факторы, обуславливающие распад капель. На характер разрушения влияет вид приложенной нагрузки. Так, при статической деформации критическое число Вебера = 7 — 15, в то время как при внезапно приложенной нагрузке для капель с малой вязкостью значение в два раза меньше.
При воздействии на двухфазную среду мощных импульсов давления и скорости (например, при детонации или при горении капель в сверхзвуковом потоке) может наступать взрывное дробление, когда распад по всему объему происходит так быстро, что срыв поверхностного слоя почти не виден. Процесс взрывного распада рассмотрен в [7], там же предложена классификация режимов разрушения по спектру образующих капель:
первый режим, имеющий место при 4 < ^е <20 и 0,1 < ^ей-0,5 < 0,8 объединяет простое деление (на 2-4 капли), разрушение «сумки» и хаотическое дробление, при которых размер вторичных капель близок (по порядку величины) к размеру основных;
второй режим имеет границы: 10 < ^е < 104 и 0,5 < ^ей-0,5 < 10, при этом происходит разрушение капель со срывом поверхностного слоя, дающего очень мелкий распыл наряду с крупными вторичными частицами, отделяющимися от первоначальной капли;
третьему режиму дробления (при 103 < ^е < 105 и 10 < ^ей-0,5 < 100) соответствует взрывной распад, при котором размеры основной массы капель значительно меньше исходных.
Таким образом, для оценки критического значения числа Вебера можно воспользоваться выше приведенным уравнением. Если режим движения нестационарный, то при уменьшающейся относительной скорости найденное значение следует умножить на коэффициент 0,8, при увеличивающейся - на 1,2, при резком изменении скорости - на 0,5.
Значения критериев, приведенные для трех режимов дробления капель, позволяют определить вид распада и, следовательно, в той или иной степени оценить поверхность контакта фаз (поверхность горения).
Значение критерия Вебера для процесса, происходящего в демонстраторе возможно рассчитать по формуле
We =
^мРг 2а-
где Ш - скорость обдува капли; - диаметр
капли; рг - плотность газа; а - коэффициент поверхностного натяжения жидкости.
В условиях проведения огневых испытаний демонстратора ГПВРД имеем следующие исходные данные:
Горючее бензин с характеристиками: динамическая вязкость = 0,00217 Па-с; плотность рж = 800 кг/м3;
коэффициент поверхностного натяжения а = 24 •
10-
Н/м;
медианный диаметр капли dм = 0,000180726 м; критическое значение числа Рейнольдса для жидкости 2300-3000, принято максимальное значение.
Окислитель воздух:
динамическая вязкость цг = 4,5 • 10-5 Па-с; плотность (при давлении 1 Мпа) рг = 5,5 кг/м3. При этих исходных данных критерий устойчивости капли
Г =
0,002172
24 • 10-3 • 800 • 2.8803e — 04 = 8.5185е — 06 (м2/Н)
Соответственно критическое значение критерия Вебера равно
1 2
Г
Лж' Рг
1 , /4,5 • 10-5 = — 30002(-
2 I 0,00217
800 •"55
• 8.5185е
— 06 = 115.6256
Расчет количества капель, образующихся при распыле бензина форсункой, произведен из условия равенства объема топлива проходящего через сопло форсунки и объема всех образовавшихся капель.
Объем топлива через сопло форсунки
= = 35 • 78,5 • 10-8 = 3.1250е — 06 (м3)
Объем капли топлива я^3
к, = = 1.2512е — 11 (м3)
Количество капель топлива, образующихся за одну секунду, будет равно
«к = -ф = 1.0505е + 06 (шт.)
"к
Площадь поверхности единичной капли равна
5к = п^ = 1.0261е — 07 (м2)
Тогда площадь всех капель (или площадь горящей поверхности) будет
5Г = 5к«к = 0.1078 (м2)
Полученные результаты расчета служат основанием для выбора оптимальных геометрических параметров бензиновой форсунки при проектировании опытного образца [8, 9].
Результаты, представленные в данной статье, получены при финансовой поддержки Министерства образования и науки РФ входе выполнения проекта 9.2108.2017/ПЧ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Яшин, А.Г. Пилотажные комплексы и навигационные системы вертолетов / А.Н. Попов, Д.П. Тетерин, А.Г. Яшин и др. - М.: Инновационное машиностроение, 2017. 368 с.
2. Яшин, А.Г. Стенд для испытаний элементов беспилотного вертолета с соосными винтами / А.В. Алилуев, Д.П. Тетерин, Яшин А.Г. и др.: Рос. Федерация. № 2016139936; заявл. 23.12.2016; опубл. 13.01.2017; Бюл. № 2.
3. Яшин, А.Г. Исследование влияния тепловых полей двигателя на элементы системы управления малого беспилотного вертолета / А.Г. Яшин, Д.В. Лаптев, А.Н. Попов // Надежность и качество: Труды Междунар. Симпозиума // Под ред. Н.К. Юркова. - Пенза: ИИЦ ПГУ, 2016. Т. 2. С. 239-242.
4. Тетерин, Д.П. Генерирование возможных вариантов рулевых приводов для автономных подводных аппаратов / С.В. Алилуев, В.А. Поршнев, В.В. Сафронов, Д.П. Тетерин // Надежность и качество: Труды Международного симпозиума// Под ред. Н.К. Юркова. - Пенз. ГУ, 2014. 2 т.
5. Тетерин, Д.П. Выбор эффективных вариантов средств моделирования элементов бортовых систем управления летательных аппаратов методами гипервекторного ранжирования / А.Н. Попов, В.В. Сафронов, Д.П. Тетерин и др. // Надежность и качество: Труды Междунар. симпозиума // Под ред. Н.К. Юркова. -Пенза: ИИЦ ПГУ, 2015. Т. 1. С. 150-154.
6. Пажи, Д.Г. Основы техники распыливания жидкостей / Д.Г. Пажи, В.С. Галустов. - М. Химия, 1984. - 256 с.
7. Борисов, А.А. О режимах дробления капель и критериях их существования / А.А. Борисов и др. // Инженерно-физический журнал. - 1981. - Т. 40. - №1.
8. Тетерин, Д.П. Выбор наилучшего варианта системы подготовки и пуска летательных аппаратов на основе метода гипервекторного ранжирования / В.В. Сафронов, А.А. Северов, Д.П. Тетерин // Вестник воздушно-космической обороны, № 2 (6), 2015. С. 99-104.
9. Тетерин, Д.П. Методика выбора эффективных вариантов систем десантирования на планеты солнечной системы / В.А. Поршнев, В.В. Сафронов, Д.П. Тетерин и др. // Вестник ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина», № 3, 2014. С. 116-124.
2
