Создание расчетных методов для определения параметров камеры сгорания и смесительных элементов двигателей с дожиганием

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

05.07.05 - тепловые, электроракетные двигатели

и энергетические установки

Создание расчётных методов для определения параметров камеры сгорания и смесительных элементов двигателей с дожиганием

Мединг Крис

Казань 2006

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В камере сгорания ЖРД происходит комплекс взаимосвязанных физико-химических процессов, преобразования компонентов топ-лив в продукты сгорания. Известно, что параметры смесительной головки и камеры сгорания должны обеспечить выполнение ряда требований, техническая реализация которых в известной мере противоречива.

В двигателестроении особенно актуальным является проблема снижения стоимости разработки новых двигателей. При разработке нового двигателя большая часть расходов идет на разработку и доводку основных узлов двигателя, как турбонасоса с газогенератором (энергетическая головка) и камеры сгорания. Для снижения этих расходов используются опыт доводки, отработанных двигателей. Это позволяет существенно снизить расходы для разработки нового двигателя, но приводит к дополнительным ограничениям мощностных параметров. Однако при переходе на другие, в том числе перспективные топлива и другие системы возникает и необходимость в разработке и доводке основного узла - камеры сгорания.

Эта проблема может решаться либо за счёт проведения экспериментальных исследований, привязанные определенному типу форсунок, либо за счёт накопленного заводского опыта однотипных систем.

Одной из наиболее важных проблем при проектировании является строгая привязка существующих подходов к определённому типу топлива и двигательной системе.

Успешное решение проблем смесеобразования, охлаждения, обеспечения устойчивости и т.д. непосредственно связано с задачей определения объёма камеры, который в той или иной степени, предопределяет подход для решения проблемы в целом. Указанная проблема весьма актуальна, поскольку разработка методов ее решения позволяет существенно снижать стоимость разработки двигателей.

Решение этой задачи ведётся в нескольких направлениях, основными из которых являются:

- проведение специальных испытаний на уровне модельных и натуральных камер,

- обобщение однотипных экспериментальных данных для разработки эмпирических зависимостей,

- использование двух- и трехмерных расчетных моделей с учетом смесеобразования и химической реакции.

Цель исследования. Разработка модели определения необходимого объёма камеры (объём камеры - полость от огневого днища до минимального сечения) и отношения площадей на выходе из цилиндрического участка камеры сгорания и минимального сечения для полного завершения процесса горения, независимо от вида топлива (системы смесеобразования).

Разработка общей методики расчёта газо-жидкостных форсунок, включая существующие рекомендации по выбору параметров определяющие конструктивный облик и эффективность работы с учётом стабилизирующих эффектов, применительно к углеводородным соединениям.

Методика исследования. Для решения поставленных задач в работе проведен теоретический анализ существующих методов и установлена база данных двигателей.

Теоретической основой разработки моделей послужили основы теории газовой динамики, неустойчивости горения и химических процессов. Все основные рабочие процессы горения в камере сгорания были рассмотрены на основе предположения равновесного состояния продуктов сгорания, что позволило значительно упростить данный подход.

Для решения частных задач, связанных с разработкой моделей и получением аналитических выражений использовались ранее разработанные методы, т.е. создан алгоритм на основе анализа различных систем.

Достоверность и обоснованность.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается использованием физически-непротиворечивых математических моделей, построенных на основе фундаментальных законов газовой динамики и движения газов и жидкостей, включая установления адекватности разработанных моделей на основе сопоставления результатов численного моделирования с экспериментальными данными.

На защиту выносится:

Рассматривая основные проблемы при проектировании новых двигателей и в частности системы смесеобразования, автором защищается:

· Математическая модель для определения необходимого объёма камеры с учётом основных влияющих параметров независимо от системы смесеобразования, используя данные существующих двигательных систем, работающие на разных компонентах;

· Новая методика для определения необходимого диаметра головки на основе основных определяющихся параметров;

· Общий алгоритм для расчёта основного объёма камеры сгорания;

· Основная методика, структура и алгоритм для расчёта форсунок жидкостных двигателей замкнутых систем с учётом экспериментальных данных для определения коэффициента расхода центробежной форсунки на основе расходных и геометрических параметров;

· Выработаны практические рекомендации по определению основных геометрических параметров.

Научная и практическая ценность исследования.

Научная и практическая ценность исследования определяется тем, что реализация разработанных методов расчета, необходимого объёма и основного диаметрального размера головки камеры, а также форсунок для замкнутых систем, создают основу для проведения эффективного решения задачи проектирований новых систем.

· Разработана математическая модель расчёта объёма камеры сгорания и отношения площадей на основе проведенного анализа существующих двигательных систем;

· Доказана пригодность данного метода независимого от системы смесеобразования и топливной пары;

· Разработан эмпирический метод определения коэффициента расхода центробежных форсунок на основе анализа и статической обработки экспериментальных данных;

· Разработана общая методика расчёта газо-жидкостных форсунок с учётом экспериментальных данных для определения основных параметров;

· Получена математическая модель для оценки уровня температуры в зоне принудительного смешения внутри форсунки на основе изменения перепада давления.

Все результаты данной работы основаны, только на открыто доступных источниках, могут быть использованы и в других программах для оценки и анализа перспективных систем, для более полной и достоверной оценки стоимостных аспектов.

Апробация. Результаты, приведенные в этой диссертации, основаны на 10-летнем опыте в области разработки камер сгорания, исследований и проведений различных испытаний разнообразных камерных систем, как например:

- разработка и испытания экспериментального двигателя для верхней ступени одноразового носителя;

- испытания модифицированного двигателя, работающего на различных компонентах;

- разработка одно- и многофорсуночных систем камеры сгорания.

Все эти работы показали ограничение существующих методов в области узлов камеры, требующие больших дополнительных затрат, связанных с проведением экспериментальных исследований.

В течение 10-и лет работы были выпущены 19 публикаций по данной тематике. Кроме того, за этот период автором были выпущены 3 научных доклада и 7 авторских свидетельств.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 3-х разделов, заключения, списка используемых источников. Общий объём работы составляет 185 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

камера сгорание топливо цилиндрический

Во введении обоснована актуальность работы, обозначена цель и сформулированы задачи исследования.

Первый раздел работы посвящен анализу существующих методов и содержит обзор существующих подходов, оценку качества, а также влияние этих методов на окончательный результат, включая сравнительный анализ различных факторов.

Разработка новых двигательных установок основана либо на уже существующих системах или использовании опыта подобных двигателей различных тяг.

На основе заданной тяги и топливной смеси выбирают наиболее оптимальный вариант двигательной схемы, включая основные узлы, как камеру сгорания, энергетическую головку (ТНА+ГГ) и т.д. При разработке камеры сгорания в первую очередь ставиться задача определения необходимого объёма и отношения площадей минимального сечения и головки.

Под объёмом камеры сгорания понимают её объём от головки вплоть до минимального сечения. Этот объём служит для реализации процессов распыливания, испарения, смещения и процесса химического превращения топлива. То есть выбранный объём камеры сгорания должен обеспечить необходимое время пребывания и тем самым определённую полноту сгорания топливной пары для совершения химических процессов.

Ввиду того, что многие процессы внутри камеры протекают параллельно, необходимое, суммарное время пребывания определяется в основном наиболее медленным процессом.

Теоретически оценить необходимое время для полного совершения процесса сгорания очень трудно из-за большого количества влияющих факторов, как:

- специфика впрыскивания топлива (спектр формирования капель),

- расположение и количество форсунок,

- конструкции форсунки и форсуночной головки,

- колебательные процессы внутри камеры сгорания,

- теплофизические свойства компонентов,

- радиальная неравномерность по расходу и соотношение компонентов.

Совокупность рассмотрения всех этих процессов, особенно с учетом трехмерности, вызывает до сих пор определенные проблемы при использовании данного подхода в стадии проектирования. Данный метод принимают в стадии доводки с начальной адаптацией на основе экспериментальных данных, чтобы исследовать влияние отдельных влияющих факторов.

При разработке новых двигателей для различных топливных пар открытых и замкнутых систем различные эмпирические и полуэмпирические расчётные модели нашли широкое применение. Данный раздел посвящен обзору и краткому анализу, наиболее распространённых методов решения данной задачи:

- эмпирическая зависимость, приемлемая для водородно-кислородных двигателей,

- метод геометрического подобия,

- метод, основан на критериях Дамкеллера Da_I,

- метод выбора характерной, приведённой длины,

- метод задания времени пребывания,

- задание длины камер в виде калибров,

- эмпирический метод на основе заданного давления в камере,

- оптимизация на основе модельной или натурной камеры,

- прочие смодифицированные методы.

Обзор этих наиболее распространённых, известных в открытой литературе методов содержит помимо описания основных функциональных зависимостей, перечисление основных ограничений и частично их анализ. Следует отметить, что многие методы строго привязаны либо определённому виду топлива, либо двигательной системе. Это следует из того, что расчётные эмпирические соотношения были разработаны, используя опытные данные типовых двигателей не учитывая такие факторы как:

- различные типы форсунок (одно- и многофорсуночные и т.д.),

- физическое состояние компонентов в момент впрыскивания,

- выбранный способ смесеобразования,

- расходонапряженность,

- тип топлива,

- уровень тяги.

Выбор форсунки в основном определяется требованием равномерного распределения и смешения компонентов для достижения максимального коэффициента полноты сгорания. С другой стороны налагаются ограничения с точки теплового потока вблизи стенки и устойчивости. В этих случаях вводят либо пленочное или завесное охлаждение, определенный закон настройки соотношения по диаметру или растяжение фронта пламени, сохраняя при этом максимальный коэффициент полноты сгорания.

В двигателестроение нашли большое распространение различные форсунки. Процесс смесеобразования этих основных типов форсунок схематично показан на Рис.1. Различают следующие основные типы форсунок:

- однокомпонентные форсунки (струйные и/или центробежные),

- двухкомпонентные форсунки (струйные и/или центробежные).

Была разработана методика на основе горячих испытаний модельной камеры в диапазоне от 3-х до 7-и МПа по давлению и от 2-х до 8-и по соотношению компонентов. При этом испытании использовали только двухкомпонентные соосноструйные форсунки.

На основе данных исследовании значения необходимой длины камеры сгорания определяются по следующему эмпирическому уравнению:

(1)

где A = 0, 412; B = 0, 151 - эмпирические коэффициенты.

Входящий в это уравнение параметр определяется по следующему выражению:

(2)

где a - экспериментальный коэффициент (рис.2),

р_с - давление в камере сгорания,

р_r - эталонное давление,

N - количества форсунок,

u_r -u_гор/u_окис отношение скоростей подачи компонентов,

l - длина камеры.

Методы параметрического определения объёма камеры сгорания вызывают очень часто противоречия. Однако этот метод применяют, несмотря на определённые трудности из-за непосредственного влияния на стоимость разработки нового двигателя. Данный подход был основан на использовании двигателей, прошедших успешное доводочное испытание. Это позволило, в отдельных случаях при соблюдении определённых ограничений, спроектировать новую систему с довольно предсказуемыми показателями. К этим ограничениям относятся схема смесеобразования, применяемый вид топливной пары и газо-физические свойства впрыскивания.

В настоящее время эти методы были частично модифицированы, включая данные от экспериментальных двигателей. По виду различают следующие, основные методы параметрического подобия:

- чисто эмпирические методы,

- методы на основе законов подобных параметров,

- смешанные методы.

Длина камеры l [см]

Рис.2. Зависимость коэффициента (e_c - отношение площадей камеры сгорания)

Эмпирические методы.

Чисто эмпирические методы представляют методы проб и ошибок. Некоторые ранее разработки были основаны на этом методе. Это включает дополнительные испытания уже существующих систем, для того, чтобы разобраться в возможных потенциальных проблемах новой системы. Эти испытания старых, уже отработанных двигателей, провели с учётом новых требований по давлению и соотношений и т.д.

Методы на основе законов подобия.

Данный метод основан на постановление уравнения, содержавшие безразмерные числа подобия, не изменяя эти подобные значения в ходе проектирования. Т.е., при отображении существующего двигателя на новую систему эти подобные числа считают постоянными коэффициентами.

Метод, ы основанные на критериях Дамкеллера Da_I. Число Дамкеллера представляет собой безразмерные числа подобия, которые используются при рассмотрении химических реакций различных с ними связанные феноменами.

Существует, разные числа Дамкеллера и их определение варьируют в зависимости от рассмотрения определенной системы. Среди этих чисел, число Da_I представляет для данной задачи наиболее большой интерес, т.к. рассматривает химические процессы в закрытых системах.

Числа Дамкеллера Da_I первого порядка описывают соотношения постоянной скорости химической реакции к постоянной скорости конвективного переноса веществ. Для химической реакции превращения вещества «А» в «Б» данное число подобия определяется по следующему уравнению для реакции n-ого порядка или определяет соотношение прореагирующего вещества к количеству исходного вещества:

(3)

где k - постоянный коэффициент кинетической реакции,

C_o- начальная концентрация,

n - порядок химической реакции,

t - время.

Данное число меняется от нуля до бесконечности в зависимости от концентрации продуктов химической реакции, т.е.:

или (4)

где х - концентрация исходного вещества.

Рис.3. Изменение концентрации веществ

При рассмотрении постоянной реакции, что и соответствует процессу в камере сгорания, время «t» можно выразить через время пребывания ?_n. С другой стороны число Дамкеллера Da_I можно выразить через характеристическую длину и соответственную скорость течения вещества в рассматриваемом реакторе, т.е. в камере сгорания:

(5)

где k - постоянный коэффициент кинетической реакции,

C_o - начальная концентрация,

n_i - порядок химической реакции,

t - время.

В этом случае представляет приведённую длину камеры, которая определяется на основе минимального критического сечения камер при заданном объёме. Решая левую и правую часть, этого уравнения, относительно времени пребывания получим:

^.(6)

Средняя скорость газа, отнесенная к параметру, определяется через сечение равное критическому, на основе следующего уравнения:

^.(7)

Следовательно, получим следующее уравнение для определения времени пребывания:

(8)

где - масса газа в камере сгорания,

- секундный суммарный расход топлива.

Это и есть основное уравнение, определяющее функциональную зависимость времени пребывания.

Прочие смодифицированные методы. Кроме тех уже выше названных методов существует и другие смодифицированные подходы, позволяющие в той или иной степени точности определить объём камеры сгорания. К самым распространенным методам в этом направлении относятся:

- выбор характерной длины на основе рекомендации в зависимости от топливной пары,

- задание времени пребывания на основе рекомендации или опыта,

- задание определенного количества калибров в зависимости от диаметра элемента для определения длины камеры,

- определение на основе давления как определяющий параметр,

- проведение оптимизации на основе модельной или натурной камеры.

Таблица 1. Рекомендуемые приведённые длины l_np камеры сгорания (*условные обозначения)

Название топлива	Состав топлива	lnp (пределы) [м]
Азотная кислота / Гидразин	HNO3+N2H4	0, 6…0, 9
Кислород/ Керосин	O2+ C1H1, 94*	1, 0…1, 3
Перекись водорода /Керосин	H2O2+C1H1, 94*	1, 5…1, 8
Кислород / Водород	O2+H2	0, 56…0, 71(1, 0)
Флор / Водород	F2+H2	0, 55…0, 76
Флор / Гидразин	F2+N2H4	0, 61…0, 71(0, 89)
Четырехокись азота / НДМГ	N2O4+C2H8N2	1, 5…2, 0
Четырехокись азота / ММГ	N2O4+C1H6N2	0, 76…0, 89
Кислород / Аммиак	O2+NH3	0, 76…1, 01

Учитывая ограничения существующих методов для решения поставленных задач, необходимо разработать математическую модель, провести анализ на основе доведенных двигательных систем и определить алгоритм расчета.

Второй раздел посвящен анализу основных, определяющих зависимостей и закономерностей с учётом эмпирических данных и выработки физически обоснованных моделей. Т.е. проведено теоретическое обо-снование разработанных моделей на различных уровнях. Также проведена оценка влияния отдельных факторов и их взаимосвязь с учётом различных граничных условий. Основные зависимости и результаты оформлены в виде графиков, по которым сделаны важные практические выводы об их влиянии и взаимосвязи.

Процесс горения в камере сгорания, т.е. процесс превращения исходных топливных компонентов в конечные продукты горения очень сложный процесс и состоит из ряда параллельных и последовательных процессов. Сюда входят впрыскивание, распыливание, первоначальное смешение, подогрев, испарение и основная химическая реакция. Общее время пребывания впрыскиваемой порции топлива определяет совокупность этих процессов.

Рис.4. Основные процессы внутри камеры

В камере сгорания уровень выделения теплоты в единице объёма достигает до 4^.10⁹ кДж/(м³.ч). При этих условиях химическая реакция происходит в течение нескольких тысячных секунды. На основе этого, сложный закон выгорания, можно для упрощения математических задач заменить ступенчатым законом. Применяя такую аппроксимацию, закона выгорания можно суммарное время пребывания в камере сгорания разделить на два основных промежутка времени:

- время горения (г),

- общее время пребывания (к) (время турбулентного выравнивания).

Время выгорания описывает промежуток времени, в котором происходит серия превращения от входного первоначального состояния впрыскиваемых компонентов вплоть до газов продуктов сгорания. Т.е. происходит изменение энергетического состояния, что является с точки зрения теории устойчивости наиболее важный процесс.

Для анализа и вывода основных функциональных зависимостей, объединяющиеся разнотипные двигателя были сделаны следующие допущения и упрощения:

- суммарное время пребывания в камере складывается из времени

горения и пребывания,

- горение в камере происходит «ступенчато»,

- существует взаимосвязь между временем горения и первой собственной частоты - временный размер одного порядка.

Поэтому время горения можно пренебречь в первом приближении, так как объём камеры определяется временем пребывания,

А это обозначает, что состояние в камере сгорания можно описать равновесным состоянием процессом.

На основе выше принятых допущений, а также исходя из скорости движения газа, с учетом превращения компонентов в соответствии с уравнением Д.А.Франка-Каменецкого, автором была выведена функциональная зависимость, описывающая влияние основных параметров на необходимый объём камеры сгорания:

^.(9)

Проводя анализ этой зависимости с помощью установленной автором базы данных существующих, доведенных двигателей видно, что комплексным параметром можно характеризовать камерный объём. Это является тоже доказательством выше принятого допущения о ступенчатом горении и незначительном влиянии на суммарное время горения. Одновременно это тоже доказывает, что высокий уровень коэффициента полноты сгорания можно достичь, применяя различные системы смесеобразования.

На основе обобщения результатов зависимости (10) и его графического анализа было составлено следующее полуэмпирическое уравнение для определения объёма камеры сгорания для любого вида топлива:

, (10)

где в [(кг/сек) (мі/кг)^{0, 5} 1/(K ^{0, 5} бар^{(0, 5+m)})].

Преимущества этого уравнения состоит в том, что оно не зависит от топливной смеси. Этим достигается универсальность данного метода особенно при рассмотрении других, в том числе перспективных топливных пар, как например:

- кислород - метан,

- кислород - пропан,

- фтор - водород.

Это значит, данный подход позволяет на основе известных расчётных и рабочих параметров, как давление и соотношение, а также параметров равновесного расчёта горения определить необходимый объём камеры сгорания. Отношение площадей входящая в полуэмпирическое уравнение можно определить на основе подхода, который также рассматривался автором в рамке этой диссертационной работы.

Рис.5. Зависимость объёма от комплексного параметра - анализ данных существующих двигателей

Данный подход определения оптимальной площади головки основан на рассмотрении состояния газа в двух характерных сечениях камеры, вблизи головки и в минимальном сечении, исходя опять из мгновенного горения. При этом исходят из того, что расход газа в любом сечении камеры определяется на основе следующего уравнения:

.(11)

На основе этого, в данной работе, была выведена следующая, функциональная взаимосвязь между параметрами в этих двух сечения:

.(12)

Если в уравнении (14) давление разделить на g=9, 80665 [м/сек²] то величину можно выразить через размерность [кг/м²], т.е. исследуемый параметр имеет единицу объёмного расхода:

[(кг/сек м²/кг) м]= [м³/сек].(13)

Проводя анализ данной функциональной зависимости на основе базы существующих данных видно, что существует однозначная взаимосвязь между рассматриваемыми параметрами в критическом сечении и головки. Данная взаимосвязь показана на Рис.6. Это дает возможность более достоверного определения диаметра головки в зависимости от состояния в минимальном сечении, независимо от системы смесеобразования.

На основе выведенных зависимостей была построена математическая модель и алгоритм расчёта камеры сгорания.



Рис.6. Параметрический анализ

Газо-жидкостные форсунки. В рамке этой работы тоже был рассмотрен метод расчёта газо-жидкостных форсунок с внутренним смешением, применяемые в двигателях замкнутой схеме. Эти форсунки состоят из двух основных элементов:

- струйная газовая форсунка,

- центробежная жидкостная форсунка.

Теория расчета отдельных элементов основана на теории газовой динамики и движения жидкости с учетом экспериментальных данных, учитывающие влияние различных геометрических факторов на рабочую характеристику форсунки.

Струйные газовые форсунки. При рассмотрении процессов, форсунка была разбита на отдельные основные участки для анализа влияющих параметров. В рамке этой диссертации был предложен метод расчёта секций форсунки до зоны внутреннего смешения, используя газодинамические функции. Данная задача решается путём нескольких приближений, задаваясь расходом и перепадом давления.

Вопрос влияющих параметров в зоне смешения был решен на основе трехмерного модулирования процесса смешения компонентов, без учёта процесса горения. Данные расчётные результаты были использованы для сравнения с имеющимися экспериментальными данными (взятые из открытых источников) и для совместного анализа, а также для вывода рекомендации по выбору основных геометрических параметров зоны смешения.

Рис.7. Основные участки газо-жидкостных форсунок входной участок (1), жиклер (2), основной участок (3), диффузор (4), тангенциальные отверстия или шнековая вставка (5), зона внутреннего смешения (6).

На основе экспериментальных данных различных форсунок был также рассмотрен вопрос по выбору оптимального перепада давления. Автором также предложена математическая модель для оценки температурного состояния в зоне смешения, используя данные проливок и горячих испытаний.

Рис.8. Теневые снимки при сверхкритическом давлении в камере и при изменении состояния впрыскивания (р=3.39МПа)

Учитывая эту особенность, компоненты были рассмотрены как неньютоновские вещества (Bingham-вещество t_o=0), что позволило косвенным образом учесть особенность процесса подачи и перемешивания при отсутствии процесса горения. Процесс подачи керосина происходит в сверхкритическом состоянии (критическое давление керосина - 23 бар). А это обозначает, что сила поверхностного натяжения отсутствует, что тоже относится к процессу раздробления. То есть, в отличие с докритическим процессом подачи, образование каплей в данном случае не имеет место. Данная особенность подачи подтверждается тоже многочисленными экспериментами.

Рис.9. Распределение концентрации газа и жидкости вдоль стенки и оси форсунки - результат расчета



Рис.10. Распределение концентрации в разных сечениях - результат расчета

Центробежные форсунки. Процесс течения при реальных условиях течении в центробежных форсунках с учетом вязкости может быть описан с помощью уравнения Navier-Stokes. Для проведения инженерных расчетов реальные условия течения можно приблизительно описать, вводя коэффициенты гидравлических потери, которые характеризуют потерю полного давления. Последствие потери уменьшается момент количество движения и угол распыливания жидкости.

Проводя сравнительный анализ теоретического коэффициента расхода на основе идеальной форсунки и экспериментального коэффициента расхода на основе данных видно зачастую большой разброс (рассматривая при этом только форсунки без внутреннего смешения), что и сильно влияет на рабочую характеристику. Это отклонение вызвано силами трениями и производственными отклоненьями, а также характерными конструктивными параметрами как:

R_bx - радиус камеры,

R_bx - радиус тангенциального отверстия,

r_c - радиус сопла,

l_bx - длина тангенциального отверстия,

l_c - длина сопла.

Кроме того, объёмный расход V и перепад давления ?p были включены в рассмотрение влияющих факторов.

Многочисленные анализы влияния длины сопла форсунки показали, что с увеличением длины расходный коэффициент не меняется и поэтому этот параметр может быть исключен из рассмотрения. Влияние длины тангенциальных отверстий ограничено тем, что для обеспечения направленного движения жидкости на входе в камеру закрутки минимальная длина составляет 1, 5·d_bx. Это значит, из выше названных параметров наиболее определяющими являются радиус камеры закрутки и сопла, а также тангенциального отверстия. Исследования различных форсунок показали, что существует взаимосвязь между безразмерной величиной, соотношения идеальной форсунки и экспериментальным коэффициентом расхода, и безразмерным параметром R_bx/r_c. Эту уже известную взаимосвязь можно описать следующим эмпирическим уравнением:

µ= -0, 0816 (R_bx/r_c)І + 0, 4847 R_bx/r_c + 0, 2765.(14)

Однако видно, что данная зависимость только частично учитывает существующие отклонения, так как данная зависимость включает в себя часть влияющих факторов.

Для проведения более полного анализа была проведена последовательная обработка отдельных факторов. Данная задача была решена с помощью программы «MINITAB». Данная программа обработки статических данных позволяла путем задания влияющих факторов и комплексного анализа выявить самые влияющие параметры, и решить функциональную зависимость.

Опыты на разных форсунках показывает, что особенно при переходе к малорасходным форсункам расхождения между расчётным и экспериментальным расходным коэффициентом растет даже при уменьшении допуска, то есть при повышении точности производства. Это указывает на то, что помимо геометрических параметров перепад давления и расход влияют на значение расходного коэффициента. Однако применяемые жидкие компоненты отличаются плотностью, что вызывает определённые ограничения при применении величины расхода. Для нахождения обобщённой зависимости был использован объёмный расход. Данный параметр исключает влияние плотности.

Рис.11 показывает результат комплексного анализа с учетом расхода и перепада давления.

На основе данной статической обработки была найдена следующая эмпирическая зависимость:

µ_exp/µ_th =0, 578+0, 233 R_bx/r_c + 0, 086 r_bx/r_c + 83, 8 V-0, 0076 ?p.(15)

На основе разработанных математических моделей и проведённых анализов в рамке диссертации были и разработаны соответствующие расчётные алгоритмы для определения объёма камеры сгорания, отношение площадей (рис. 13) и соосно-струйных газожидкостных форсунок (рис. 14). Соответствующие расчётные алгоритмы этих основных блоков показаны ниже.



Рис.11 Результат анализа влияющих факторов с помощью программы «Минитаб»

В рамке данной диссертации была также решена комплексная задача, включающая одновременное решение всех рассмотренных алгоритмов, то есть совместное решение задач по определению камерного объёма, отношение площадей, количества и основных размеров форсунок. Данный разработанный алгоритм расчёта показан схематично на рис.15.

Рис.12 Сравнение расчётных и экспериментальных значений коэффициента расхода



Рис.13 Общий алгоритм расчета объёма и отношение площадей камеры

Рис.14. Общий алгоритм расчета газо-жидкостных форсунок



Рис. 15 Расчётная схема решения комплексной задачи

В третьем разделе был приведён синтез методов расчётных моделей. Кроме того, в этой главе были поставлены и решены задачи на основе существующих систем, используя разработанные модели.

В целом, поставлены задачи по оптимизации подхода и расчётного анализа, применительно для выборочных задач.

Результаты этих методов были тоже подвергнуты дополнительному анализу с помощью экспериментальных данных. На основе этого анализа была построена графическая модель, позволяющая однозначно выявить обще-действующий подход при применении заданного алгоритма.

С помощью разработанной методики были выполнены три задачи. Это включает рассмотрение двигателей малой и большой тяги.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ

В результате проведённой работы получены следующие результаты:

1. Разработана математическая модель, включающая эмпирические зависимости по определению основных параметров камеры сгорания, как объём камеры сгорания и диаметра головки независимо от топлива и системы смесеобразования.

2. Доказана достоверность полученной математической модели на основе данных существующих, доведенных двигателей.

3. Выявлена взаимосвязь между основными рабочими и конструктивными параметрами центробежных форсунок и коэффициентом расхода.

4. Разработана общая методика расчёта форсунок с учётом экспериментальных данных для определения коэффициента расхода.

5. Установлены рекомендации для определения ряда размеров струйно-центробежных форсунок.

6. Разработан метод оценки температурного состояния газа на основе изменения перепада давления.

7. Проверена методика расчета основных определяющих параметров камеры сгорания на пример имеющихся конструкций.

Таким образом, применение результатов диссертационной работы позволит:

- на стадии разработки или анализа камерных систем жидкостных ракетных двигателей определить влияющие параметры, независимо от топливной пары,

- снизить трудоемкость при доводке новых жидкостных систем,

- произвести анализ влияющих узлов, как объём и систему смесеобразования на коэффициент полноты сгорания.

Данная методика может быть применена, поэтапна или использована как модуль в автоматических алгоритмах по оптимизации двигателей. То есть методика может включаться в математические расчётные модели двигателя.

Кроме того, данная методика позволяет настройку на основе дополнительных данных других двигателей.

ЛИТЕРАТУРА

Данная диссертационная работа стоит в тесном контексте со следующими публикациями:

1. Ch.Greene, S.Clafin, C.Maeding, Non-Toxic Orbital Manoeuvring System Engine Development, AIAA-99-2742, 35th Joint Propulsion Conference, 20-24 June 1999, Los Angeles, CA

2. D.Haeseler, A.Gцtz, C.Maeding, Combustion Chambers and Engine Concepts Using Hydrocarbon Fuels for Future Launch Vehicles, IAF-01-S.3.06, 52nd International Astronautical Congress, 1-5 Oct. 2001, Toulouse, France

3. S.Soller, R.Wagner, J.Kretschmer, P.Martin, C.Maeding, Untersuchungen zur Verbrennung von Kerosin in Raketentriebwerken, DGLR, 2002, Mьnchen

4. G.Vigier, A.Dufor, V.Peypoudat, H.Immich, C.Maeding, Pressure-Fed Stges for Low Cost Expendable Launchers, AIAA-2003-4816, 39th AIAA Joint Propulsion Conference, 20-23 July 2003, Huntsville, Alabama

5. S.Soller, R.Wagner, H-P.Kau, P.Martin, C.Maeding, Charakterisierung von Einspritzelementen fьr GOX-Kerosin in zukьnftigen Raketentriebwerken, DGLR, 2003, Mьnchen

6. C.Maeding, D.Preclik, D.Haeseler, Recent Investigations on Hydrocarbon Based Fuels for Future Propulsion Systems, EUCASS, European Conference for Aerospace Sciences, 4-7 July 2005, Moscow.

7. S.Soller, R.Wagner, H-P.Kau, P.Martin, C.Maeding, Characterisation of Main Chamber Injectors for GOX/Kerosene in a Single Element Rocket Combustor, AIAA, 2005-06-21

8. S.Soller, R.Wagner, C.Kirchberger, P.Martin, C.Maeding, Characterisation of Combustion and Heat Transfer using GOX/Kerosene in a Single-Element Rocket Combuster, AIAA, 2005-06-21.

9. Мединг К. Методы предварительного определения объема камеры сгорания / Тезисы докладов Международной конференции «Рабочие процессы и технология двигателей». - Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2005, с.282-285.

Размещено на Allbest.ru

...