Національний аерокосмічний університет імені М.Є.Жуковського

“Харківський авіаційний інститут”

Завістовський Дмитро Ігорович

УДК 621.791.039

Методи розрахунку циліндричних вихрових трактів ракетних і повітряно-реактивних двигунів

Спеціальність 05.07.05 –

двигуни та енергоустановки літальних апаратів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського "ХАІ", Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник – | доктор технічних наук, професор Грушенко Олександр михайлович Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського "ХАІ", доцент кафедри ракетних двигунів

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Білан Микола Васильович, декан факультету, Національний аерокосмічний університет ім.М.Є.Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, Міністерство освіти і науки України.

- кандидат технічних наук, провідний фахівець відділу турбін, Лапотко В.М., Запорізьке машинобудівне конструкторське бюро "Прогрес"

Провідна установа – Державне конструкторське бюро “Південне” ім. М.К.Янгеля, Національне космічне агентство України

Захист дисертації відбудеться 23.05.2003 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.02 в Національному аерокосмічному університеті ім.М.Є.Жуковського “ХАІ” за адресою:

61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім.М.Є.Жуковського “ХАІ”.

Автореферат розіслано 18.04. 2003 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

д.т.н., професор Ю.О.Крашаниця

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Організація передполум’яних процесів у різних енергетичних пристроях є метою багатьох прикладних досліджень. Аналіз відомих способів і типів пристроїв для цієї організації показав, що в деяких випадках використання традиційних методів упорскування палива і створення газодинамічної обстановки в області горіння незастосовно в силу різних причин, обумовлених специфікою конструкції і робочого процесу тих чи інших енергетичних установок. Незважаючи на удавану вивченість передполум’яних процесів у названих вище установках їхні творці щораз зіштовхуються з проблемами створення і доведення, чи те фронтових пристроїв ГТД, чи те форсункових блоків РРД і РРДМТ.

Одним з найбільш удалих рішень у цій області з'явилася розробка в ХАІ в 80-і роки так званих ячейкових фронтових пристроїв і форсунок, що базуються на складних проточних трактах із взаємним перехрещуванням каналів. Дана конструкція форсунок щонайкраще інтегрувала в собі останні тенденції розвитку авіаційного і ракетного двигунобудування, оскільки дозволяла реалізувати перспективні схеми сумішоутворення в ГТД, РРД і РРДМТ. Уперше роботи з дослідження гідравлічних характеристик подібних трактів стосовно до охолоджуючих трактів ракетних двигунів були проведені в МВТУ ім. Баумана в 70-80-х роках. По даному питанню була опублікована велика кількість робіт, у яких приводяться результати досліджень гідравлічних характеристик таких трактів — це і роботи академіка М.Д. Кузнєцова і його учнів В.В. Александренкова, Ю.М. Пчьолкина, роботи В.М. Кудрявцева і його учнів С.А. Поснова і С.А. Орлина, Г.П. Нагоги і І.С. Копилова. Однак у літературі немає узагальнених даних по даному питанню, усі дослідження носять окремий характер, для окремо узятих технічних рішень тих чи інших вузлів ракетних двигунів. Великий обсяг робіт з дослідження гідравлічних характеристик циліндричних вихрових трактів був проведений О.М. Грушенко. Його дослідження більшою частиною були присвячені симетричним циліндричним вихровим трактам (ЦВТ), у той час як великий клас асиметричних циліндричних вихрових трактів був мало вивчений. Використання вихрових трактів у якості змішувально-розпилюючих пристроїв припускає знання їх зовнішніх (дисперсних) і внутрішніх (видаткових) характеристик. В даний час виявлений великий інтерес до елементів ракетних двигунів, що можуть бути спроектовані з використанням циліндричних вихрових трактів. Це пов'язано з участю кафедри ракетних двигунів Національного аерокосмічного університету “ХАІ” у програмі по створенню мікро-ПРД, роботами по програмі держбюджетної тематики, при виконанні госпдоговірних робіт зі створення РРДМТ технологічного призначення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота, що представляється, тісно зв'язана з виконуваними на кафедрі ракетних двигунів ЛА Національного аерокосмічного університету “ХАІ” держбюджетними НДР Г401-44/00, Г401-17/00.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є створення методів розрахунку циліндричних вихрових трактів стосовно до змішувально-стабілізуючих пристроїв реактивних і ракетних двигунів, а також РРДМТ спеціального технологічного призначення.

Основні задачі дослідження:

1. Обґрунтування експериментально-теоретичної методики дослідження гідравлічних характеристик ЦВТ, як загального випадку канальних плинів.

2. Аналіз структури вихрових трактів і аналітичне визначення виду критеріальних рівнянь для шляхових і місцевих втрат у них.

3. Проведення експериментальних досліджень втрат у ЦВТ із метою уточнення чи знаходження коефіцієнтів отриманих критеріальних рівнянь.

4. Проведення експериментальних досліджень деяких типів змішувально-розпилюючих пристроїв.

5. Оптимізація внутрішніх і зовнішніх характеристик ЦВТ у взаємозв'язку з пристроями, виконаними на їхній основі.

6. Створення алгоритму розрахунку рідинних ячейкових форсунок.

7. Розрахунок і створення елементів багатопаливних камер згоряння стосовно до малорозмірних ГТД і технологічних газогенераторів із глибоким дроселюванням.

Об’єктом дослідження є пристрої, що створені на основі циліндричних вихрових трактів, які можна використовувати як змішувально-розпилюючі пристрої, газодинамічні стабілізатори, як охолоджуючі тракти та ін.

Предметом дослідження є застосування спільності характеру плинів у гладких прямолінійних каналах та циліндричних вихрових трактах.

Методи дослідження містили в собі теоретичне й експериментальне дослідження, моделювання, аналіз (у тому числі статистичний) і синтез отриманих результатів.

Наукова новизна одержаних результатів. Теоретично й експериментально доведена спільність плинів у ЦВТ і канальних плинів. Уперше введена структурна функція, що характеризує геометричні особливості ЦВТ, у тому числі і окремі випадки плинів у прямолінійних каналах і каналах з істотною кривизною.

Отримано узагальнені критеріальні рівняння залежності шляхових і місцевих втрат від структури і геометрії ЦВТ.

Особлива увага приділена дослідженню ЦВТ, що мають асиметричну структуру — так званих асиметричних циліндричних вихрових трактів (АЦВТ). Узагальнене для випадку ЦВТ рівняння Дарсі-Вейсбаха разом з результатами інших дослідників дали можливість визначити раціональну форму форсункових каналів.

Досліджені змішувально-розпилюючи пристрої, створені на базі ЦВТ; отримані видаткові характеристики, характеристики дисперсності розпилу і кута розкриття факелу в діапазоні визначальних параметрів: еквівалентний гідравлічний діаметр прохідного перетину каналів — dе,92…2,44)10-3 м; симплекс , де D — діаметр сполучення деталей ЦВТ —  ,08…0,15; критерій Рейнольдса — Re 103…6105; кут схрещування каналів —  ,27…2,59 рад; кут асиметрії каналів (розмірний параметр асиметрії) —  …1,24 рад; безрозмірний параметр асиметрії , де 1 і 2 кути підйому гвинтової лінії каналів втулки і корпусу ЦВТ відповідно —  ,326…1.

Показано, що як по середньому об'ємно-поверхневому діаметру d32 крапель, що утворяться, так і по гідродинаміці плину, пристрої, створені на основі ЦВТ, можуть бути класифіковані, як проміжний вид між струминними і відцентровими форсунками.

Зіставлення внутрішніх і зовнішніх характеристик ячейкових форсунок (ЯФ) дозволило здійснити оптимізацію довжини проточного тракту, а також кута перехрещування каналів .

Для ЯФ з раціональними геометричними параметрами отримане критеріальне рівняння розпилення в діапазоні визначальних величин: 2-й критерій Вебера — We2 …28; критерій Лапласа — Lp ,3103…6,7104; критерій Маху — M,08…1,57); симплекс  ,1…0,33.

Практичне значення одержаних результатів. Відповідно до постанови кабінету Міністрів України №255 від 02.04.1996 р., розроблений на базі теоретичних і експериментальних досліджень алгоритм розрахунку ячейкових форсунок, їхня класифікація і конструктивні схеми реалізовані при створенні камер згоряння технологічних газогенераторів нового покоління і багатопаливних камер згоряння реактивних двигунів із глибоким дроселюванням, розроблювальних у рамках програми створення безпілотних ЛА.

Особистий внесок здобувача полягає в дослідженні гідравлічних характеристик асиметричних циліндричних вихрових трактів (АЦВТ), зокрема: в аналізі структури АЦВТ, одержанні їхньої структурної функції, на основі якої згодом було отриманий вираз для визначення шляхових втрат в АЦВТ; уведенні функції асиметрії, за допомогою якої було показано, що АЦВТ є найбільш загальним випадком канального плину; проведенні експериментальних досліджень для підтвердження результатів, отриманих у ході теоретичного дослідження АЦВТ; аналізі особливостей розпилення рідин форсунками, створеними на основі ЦВТ; розробці алгоритму розрахунку ЦВТ з урахуванням асиметрії.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися й обговорювалися:

- на Міжнародній молодіжній науковій конференції “XXV Гагарінські читання” (м. Москва, 1999 р.);

- IV-му Міжнародному конгресі двигунобудівників України (п. Рибаче, Крим, 1999 р.);

- V-му Міжнародному конгресі двигунобудівників України (п. Рибаче, Крим, 2000 р.);

- 15-й Щорічній Міжнародній науково-технічній конференції “Прогресивні технології в машинобудуванні (Технологія-2000)” (м. Одеса, 2000 р.);

- Міжнародній конференції “Матеріали і покриття в екстремальних умовах: дослідження, застосування, екологічно чисті технології виробництва й утилізації виробів” (п. Кацивелі, Крим, 2000);

- щорічних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу, співробітників і аспірантів ХАІ (м. Харків, 1998, 1999, 2000 р.).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 3 статті, 3 тези доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку літератури і додатків. Обсяг дисертації — 174 сторінок, дисертація містить 79 рисунків, 4 таблиці. Список літератури містить 76 найменувань. Додаток на 5 сторінках містить у собі перелік геометричних параметрів досліджених циліндричних вихрових трактів і форсунок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі улаштовується актуальність обраної теми. Вказуються основні напрямки майбутніх досліджень.

У розділі 1 даний аналіз сучасних розробок і досліджень по організації передполум’яних процесів у камерах згоряння теплових двигунів літальних апаратів. Удосконалювання енергомасових характеристик твердопаливних МБР у даний час зв'язують зі збереженням додаткової маси монопалива в конструкційних порожнечах ракети з наступним упорскуванням його в основні камери згоряння РДТП. Як показали дослідження, виконані в НВО “Алтай” (м. Бійськ), існуючі способи розпилення і традиційні форсунки не можуть забезпечити надійну роботу РДТП із заданими параметрами при упорскуванні монопалива: при використанні відцентрових форсунок, для яких характерні значення кута факелу розпилення 120, відбувається неконтрольована деформація поверхні горіння твердого палива; а при використанні струминних форсунок не забезпечується задана дисперсність розпилу, що разом з високою далекобійністю таких форсунок приводить до викиду незгорілого монопалива в навколишнє середовище, зниженню питомих характеристик ДУ в цілому. У зв'язку з цим актуальна проблема інтенсифікації процесів диспергування рідкого монопалива без використання будь-яких сторонніх джерел енергії (пневматичне, акустичне розпилення, диспергування на обертових дисках у специфічних умовах РДТП не прийнятно).

Одним з перспективних способів інтенсифікації струминного розпилення монопалива є застосування так званих вихрових трактів, чи трактів із взаємно перехресними (компланарними) каналами, як проточного елементу форсунок. Такі тракти досить широко відомі в теплообмінних пристроях різного призначення для інтенсифікації процесів тепло- і масопереносу, що дозволяє зробити припущення про доцільність створення з їх допомогою початкових турбулентних збурювань у рідині з метою поліпшення її наступного розпилення.

Незважаючи на очевидну перспективність застосування таких форсунок у різних енергетичних пристроях, у літературі немає систематизованих даних про їхнє використання і розрахунок, а існуючі дослідницькі методики описують лише деякі часткові види всього різноманіття циліндричних вихрових трактів.

У зв'язку з цим приведена класифікація осередкових форсунок і визначене їхнє місце в загальновідомій класифікації способів розпилення. Улаштовується застосування терміна “ячейкова форсунка”, введеного О.М. Грушенко, що випливає з термінології відомої статті акад. М.Д. Кузнєцова, проф. В.М. Кудрявцева, канд. техн. наук Г.П. Нагоги і І.С. Копылова, у якій елемент вихрових трактів названий ромбовидною ячейкою.

Розрахунок форсунок, у тому числі й ячейкових, припускає знання, як їх внутрішніх видаткових характеристик, так і зовнішніх, під якими розуміють параметри дисперсної фази рідини, що розпорошується. Видаткові характеристики ЯФ можуть бути визначені лише при наявності вичерпної інформації про їхні гідравлічні характеристики. У цій області добре відомі роботи К.П. Говарда (C.P.А.Ф. Савостина й А.І. Тихонова, М.Д. Кузнєцова в співавторстві з Г.П. Нагогой і І.С. Копыловым, В.М. Кудрявцева і його учнів. Великий обсяг досліджень по гідравліці ЦВТ проведений у роботі О.М. Грушенко, матеріали якої лягли в основу дійсної дисертації, однак, у цій роботі мало приділяється уваги циліндричним вихровим трактам з асиметрією (АЦВТ). За даними закордонних і вітчизняних джерел інформації закономірності диспергування рідини ячейковими форсунками не вивчені. На підставі виконаного аналізу сформульовані задачі дійсної роботи. Кінцевою метою при їхньому вирішенні є оптимізація конструктивних параметрів рідинних ячейкових форсунок на підставі результатів теоретичного й експериментального досліджень їх зовнішніх і внутрішніх характеристик, а також розробка фронтових пристроїв для малогабаритних камер згоряння спеціального і технологічного призначення.

У розділі 2 проаналізовані особливості плину з втратами в циліндричних вихрових трактах. На стабілізованій ділянці плину повторювана структура таких трактів визначає характер залежності коефіцієнта шляхових втрат ст від геометричних і режимних параметрів. Використання принципу підсумовування, що є, відповідно до висновків Л.М. Коваленко й А.Ф. Глушкова, надійною основою розрахунку гідравлічного опору в багатопакетних системах, дозволило одержати в найбільш загальному виді рівняння Дарсі-Вейсбаха для випадку шляхових втрат у ЦВТ

, (1)

де — умовний коефіцієнт втрат одиничного елемента ЦВТ; —

характерна довжина даного тракту, однозначно зв'язана з dе за допомогою постійного коефіцієнта.

Подальші перетворення співвідношення (1) пов'язані з аналізом структури ЦВТ, де під структурою маються на увазі кількісні співвідношення, що зв'язують геометричні параметри трактів. Основним результатом, що випливає з такого аналізу, є вираження для довжини одного пояса схрещування

, (2)

де — кут перехрещування каналів тракту;

2 — більший кут підйому гвинтових каналів ЦВТ;

— коефіцієнт форми каналів; —

відносна довжина перемички між каналами тракту;

а — ширина каналів на діаметрі сполучення ЦВТ.

З урахуванням співвідношень (1) і (2) отриманий узагальнений вид рівняння Дарсі-Вейсбаха для ЦВТ

, (3)

де — умовний коефіцієнт втрат в одному осередку тракту на ділянці стабілізованого плину.

Результати експериментальних досліджень В.М. Кудрявцева, С.А. Поснова і С.А. Орлина, а також результати і висновки автора дозволили зробити висновок про граничне значення коефіцієнта шляхових утрат ст, Re…)при трансформації ЦВТ у прямолінійні канали

, (4)

де — коефіцієнт форми для гладких циліндричних каналів;

тр — коефіцієнт тертя на стабілізованій ділянці плину в гладких прямолінійних трубах з такою ж формою поперечного переріза, що й у ЦВТ при  .

Таким чином, показано взаємозв'язок канальних плинів, чи, іншими словами, встановлено, що плин в’язкої рідини у ЦВТ є найбільш загальним випадком канальних плинів. Крім того, установлено, що в граничному випадку ( ; 1 2 /2) рівняння (3) трансформується у відоме рівняння Дарсі-Вейсбаха для шляхових втрат у гладких каналах і шнекових завихрювачах. При інтерпретації наявних експериментальних даних по гідровтратах у ЦВТ, з урахуванням відповідного впливу форми каналів, їхньої шорсткості, без конкретизації вхідних коефіцієнтів і перетворень, що спрощують, а також при масштабуванні втрат у ЦВТ відносно тр.0, після деяких формальних перетворень можна аналітично одержати критеріальне рівняння для визначення коефіцієнта шляхових втрат у ЦВТ, що практично збігається з критеріальною моделлю С.А. Поснова

(5)

де S() — структурна функція асиметричних циліндричних вихрових трактів;

— коефіцієнти, що враховують вплив форми каналів, і можуть бути підраховані на підставі простих геометричних розумінь і наявного емпіричного матеріалу для гладких каналів (труб), а значення mRе, ), що визначає залежність границь автомодельності величини ст по Rе від кута , може бути визначено лише в результаті експериментальних досліджень.

На рис. можна бачити графічне представлення залежності (5) (пунктирні лінії); для наочності тут же представлені інтерполяційні криві (суцільні лінії) результатів експериментів.

Аналіз отриманих рівнянь, а також результати спостережень інших дослідників по інтенсифікації процесів тепло- і масопереносу у ЦВТ, дозволяє зробити висновок про те, що для ячейкових форсунок доцільне використання напівкруглих каналів, для яких характерні мінімальний рівень гідровтрат і оптимальна відносна глибина каналів ж h/a  .

Кількісні співвідношення, що характеризують структуру циліндричних вихрових трактів, дозволили узагальнити експериментальні дані про довжину початкової ділянки плину у ЦВТ. Для симетричних вихрових трактів у діапазоні кутів перехрещування  ,272...2,59 рад і чисел Re 4…6105 величина апроксимована емпіричною залежністю

, (6)

для АЦВТ у тих же діапазонах величин і куті асиметрії  …0,785 рад довжина нестабілізованої ділянки апроксимується виразом

, (7)

що добре погоджується з даними роботи В.П. Александренкова. Застосування методу, заснованого на отриманих вище співвідношеннях граничної трансформації вихрових трактів у гладкі канали, разом з використанням рівнянь (6), (7) і емпіричних залежностей довжини початкової ділянки плину lп у гладких трубах від числа Re, дало можливість аналітично визначити вид критеріального рівняння для визначення коефіцієнта втрат на початковій ділянці асиметричних ЦВТ:

, (8)

у який значення коефіцієнтів a, b, c, d, k можуть бути визначені в процесі експериментального дослідження. Співвідношення (8) добре погоджується c емпіричною залежністю для п, отриманої в МВТУ В.П. Александренковым.

Розділ  присвячений експериментальному дослідженню гідравліки циліндричних вихрових трактів. Приведено опис експериментальної установки, методики експериментального дослідження й оцінки погрішностей, а також виконано аналіз отриманих результатів. Реєстрація параметрів у процесі експерименту, керування і комутація вимірювальної апаратури, обробка результатів здійснювалися за допомогою автоматизованої системи на базі ЕОМ. Гідравлічні характеристики вихрових трактів з напівкруглою формою каналів досліджувалися в ізотермічних умовах з урахуванням стискальності. Варіювання визначальних геометричних параметрів здійснювалося набором деталей ЦВТ у діапазоні  ,14...2,59 рад,  ,2…1,45, ,08..0,5. Зміна числа Re забезпечувалося в діапазоні Re 3…6105.

Результати проливок СЦВТ підтвердили припущення, що випливає з аналізу другого розділу про розшарування по Re, залежності виду ст f, Re).

Обробка епюр статичних тисків уздовж осі досліджених ЦВТ дозволила визначити невідомі коефіцієнти рівняння (8). Для симетричних ЦВТ отримано критеріальне рівняння втрат на початковій ділянці трактів:

(9)

Відношення однозначно можна виразити через кут асиметрії , тоді формула (9) прийме вид

. (10)

Відносна погрішність визначення п не перевищує 9,8% з надійністю 0,95.

Отримані результати дозволили розрахунково-експериментальним шляхом визначити коефіцієнти витрати коротких ЦВТ (трактів, осьова довжина яких обмежена довжиною початкової ділянки):

. (11)

Таким чином, отримана вичерпна інформація про гідравлічні характеристики ЦВТ, що дозволяє використовувати її при подальшому дослідженні ячейкових форсунок.

У розділі 4 показано, що найбільш прийнятною методикою дослідження зовнішніх характеристик маловивчених ячейкових форсунок при проведенні широкомасштабного й енергоємного експерименту, є метод малокутового розсіювання світлового потоку на сукупності полідисперсних часток, що одержав широке поширення завдяки роботам К.С. Шифріна, Е.П. Зиміна, В.В. Форфутдинова та ін. Показано, що досить інформативним при такого роду дослідженнях є середній об'ємно-поверхневий (чи заутеровський) діаметр d32 крапель, що утворюються в факелі розпилення. Приведено методику визначення d32, особливістю якої є перевірка в процесі вимірів оптичної товщини досліджуваного об'єкта і виконання умови

,

де Ф и Ф0 — інтенсивності світлового випромінювання до і після досліджуваного об'єкта, а також облік фонової індикатриси розсіювання світла й ослаблення світлового випромінювання з метою зниження погрішностей вимірів. Дослідження показали, що в діапазоні кутів  ,14...1,814 рад при збільшенні довжини проточного тракту ячейкових форсунок відбувається виполажування залежностей d32 від безрозмірної довжини , причому кожному куту відповідає своє значення , що характеризує початок автомодельності d32 по (рис. 2). Ідентифікація отриманих результатів з використанням висновків розділів 2 і 3 про структуру ЦВТ і довжини ділянки нестабілізованого плину дозволили установити наступне: довжина проточного тракту рідинних ячейкових форсунок не повинна істотно перевищувати довжину початкової ділянки плину ; збільшення приводить лише до мяття рідини і підвищення потрібного перепаду на форсунці . Подальші дослідження ЯФ у діапазоні кутів  ,14...1,814 рад і критерію We2 ,3…17, з довжинами проточної частини, що мало відрізняються від величини , показали, що з ростом перепаду тисків на форсунках заутеровський діаметр крапель d32 монотонно убуває. При цьому темп зменшення d32 для значень кута  ,57 рад знижується, а при > ,7 МПа існують режими роботи ячейкових форсунок, коли дисперсність розпилення (діаметр краплі d32) краще, ніж у відцентрової форсунки при тих же величинах і рівних діаметрах сопіл порівнюваних форсунок.

Отримані результати дозволяють зробити висновок про те, що ЯФ є проміжним видом між струминними і відцентровими форсунками як по величині d32, так і по характеру плину в їхній проточній частині. Зіставлення внутрішніх (видаткових) і зовнішніх (діаметр d32) характеристик форсунок показує, що збільшення кута з метою зменшення d32 виправдано лише до деяких значень кута , а його подальше збільшення приводить до росту перепаду тисків і зменшенню приведених коефіцієнтів витрати форсунок. Зв'язок внутрішніх і зовнішніх характеристик рідинних ЯФ з метою оптимізації їхніх геометричних параметрів здійснено за допомогою цільової функції Z, отриманої при розгляді співвідношення для кількості енергії, витраченої на збільшення міжфазної поверхні при краплестворюванні:

.

При цьому цільова Функція Z пропорційна (Eств) і дорівнює

. (12)

Перетини поверхні відгуку, що обумовлені функцією Z, факторними площинами , F, p, , We2 показали, що площини і визначають залежності, що мають максимальні значення в околиці кута  ,57 рад (рис. ), інші ж факторні перетини являють собою монотонні криві. Таким чином, установлене раціональне значення кута опт, що відповідає найбільш повній трансформації енергії турбулентних пульсацій, що генеруються у рідині проточним трактом ячейкових форсунок, в енергію додаткової міжфазної поверхні при краплестворюванні. Отримані результати добре погодяться з роботами МВТУ по інтенсифікації процесів тепло- і масопереносу, у яких оптимальний кут вихрових систем лежить в інтервалі  = ...90.

Проаналізовано можливість використання отриманого співвідношення для моделювання розпилення палива з заданими властивостями в камері згоряння. У цьому випадку невідповідність критерію дослідженому діапазону його значень не знижує інформативності модельних проливок палива в атмосферу (без протитиску), тому що протитиск лише поліпшує якість розпилення. Підвищення ж щільності середовища упорскування може бути оцінено відповідними розрахунками.

Візуалізація факелів розпилення модельних рідин ячейковими форсунками зі значенням кута  ,57 рад показала, що в широкому діапазоні режимних параметрів кут їхнього розкриття мало залежить від значень критеріїв Lp, We2, M і не перевищує 45...50°, що відповідає вимогам при розпиленні монопалива в каналі твердопаливного заряду.

Приведено розроблений автором алгоритм перевірочного розрахунку рідинних ячейкових форсунок, що базується на отриманих кількісних співвідношеннях структури ЦВТ і внутрішніх (видаткових) характеристик ЯФ:

. (13)

Перевірочний розрахунок припускає для наявного зразка ячейкової форсунки (відомі dc; , D, ) і заданих властивостей рідини, що розпорошується, визначення її витрати і діаметра краплі d32 при різних значеннях .

Відповідно до даної методики виконаний і приведений розрахунок рідинної форсунки для розпилення монопалива в РДТП ИД-400КТ при розташовуваному перепаді  ,5 МПа, потрібної величині d32  мкм,   кг/с. При цьому задані властивості монопалива 1 ,35103 кг/м3, 1…8)10-3Нс/м2, 1 10-3 Н/м і протитиск упорскуванню величиною 2 ,42 кг/м3, а також конструктивні обмеження: Dк 6010-3 м. Розрахунок показав, що забезпечення технічного завдання можливо за допомогою форсунки зі значеннями dc 10-3 м; n ; D 10-3 м;  ,8 МПа. Запас по розташовуваному перепаді може бути компенсований збільшенням dc по технологічних розуміннях.

У наступному підрозділі розповідається про практичну реалізацію змішувально-розпилюючих пристроїв, виконаних на базі ЦВТ.

Як правило, розширення діапазону беззривної роботи камери згоряння повнорозмірних газотурбінних і ракетних двигунів зв'язано з ускладненням їхньої конструкції. Для цього використовують установку додаткових пілонів, форсунок та ін., що приводить до подорожчання і до зниження надійності всієї конструкції.

Дослідження, проведені на кафедрі ракетних двигунів ХАІ за участю автора, показали, що подібні підходи для малорозмірних камер згоряння неприйнятні. Неможливо в малому обсязі такої камери згоряння розмістити додаткові конструктивні елементи.

Задача стабілізації фронту полум'я на наш погляд повинна зважуватися винятково шляхом створення характерної газодинамічної обстановки в камері згоряння, у тому числі і створенням газових і рідинних турбулентних струменів в обсязі камери згоряння.

Результатом такого підходу до рішення зазначених задач стали виконані конструкції змішувально-розпилюючих пристроїв і газодинамічних стабілізаторів, зображені на рис. 4 і 5.

ВИСНОВКИ

1. Теоретичний аналіз плинів із втратами в каналах складної форми, проведені експериментальні дослідження і їхній аналіз дозволили класифікувати плин у подібного роду каналах, як найбільш загальний випадок канальних плинів, а плин у прямолінійних каналах і каналах з істотною кривизною, як граничні випадки канальних плинів.

2. Отримані в результаті теоретичних і експериментальних досліджень критеріальні рівняння також підтвердили висновки про спільність канальних плинів; отримані при цьому рівняння добре погоджуються з загальновідомим рівнянням Дарсі-Вейсбаха для плину в гладких каналах.

3. Розширено поняття структури ЦВТ, як одного з найбільш загальних геометричних параметрів і показано виродження структурної функції при трансформації ЦВТ у прямолінійні чи спіральні (криволінійні) канали.

4. Теоретичний аналіз обертаності канальних плинів дав можливість аналітично одержати критеріальне рівняння для коефіцієнтів шляхових ст і місцевих п втрат у ЦВТ, уточнити границі автомодельності ст і п по числу Re.

5. Результати експериментальних досліджень з використанням кількісних характеристик структур ЦВТ узагальнені емпіричними залежностями, що дозволяють визначати довжину початкової ділянки плину, коефіцієнти гідравлічних опорів на початковій п і стабілізованій ст ділянках плину, а також коефіцієнт витрати ячейкових форсунок заданої геометрії в широкому діапазоні конструктивних і режимних параметрів: Re 103…105; кута перехрещування каналів  ,272…2,59 рад; асиметрії ЦВТ  …1,24 рад;  ,326…1; еквівалентного гідравлічного діаметра dе,92…2,44)10-3; відносної кривизни каналів ЦВТ  ,08...0,15.

6. У результаті аналізу і зіставленні теоретичних і експериментальних досліджень гідравлічних характеристик ЦВТ, визначений вплив шорсткості, форми і кривизни каналів на величину втрат. Показано, що напівкруглі канали мають найменший рівень гідровтрат при збереженні ефектів інтенсифікації процесів тепло- і масопереносу.

7. Отримані результати дозволяють оптимізувати алгоритми розрахунку змішувально-розпилюючих пристроїв у залежності від їхнього призначення (виду цільової функції). Як приклад проведена оптимізація пристрою на базі ЦВТ із заданим кутом розкриття факелу розпилу, далекобійністю і дисперсністю, як визначальних параметрів цільової функції.

ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Перспективные газодинамические схемы камер сгорания технологических газогенераторов. / А.М.Грушенко, Д.И. Завистовский // Авиационно-космическая техника и технология: Сб. науч. тр. — Харьков: Гос. аэрокосмический ун-т “ХАИ”, 1998. — Вып. . Новые аспекты современных технологий энергосбережения. — С. .

Особисто здобувачем був розглянутий характер розповсюдження стабілізуючого зустрічного кільцевого струменю у циліндричному каналі камери згоряння технологічного газогенератору.

2. Влияние плотности несущего потока на скорость частиц в установках термогазоструйной абразивной очистки / Д.И. Завистовский // Авиационно-космическая техника и технология: Сб. науч. тр. — Харьков: Гос. аэрокосмический ун-т “ХАИ”, 1999. — Вып. . Технология. — С. .

3. Приведенный коэффициент расхода для несимметричных цилиндрических вихревых трактов (НЦВТ) / Д.И. Завистовский // Авиационно-космическая техника и технология: Сб. науч. тр. — Харьков: Гос. аэрокосмический ун-т “ХАИ”, 2000. — Вып. . Общие вопросы, теория и рабочие процессы. — С. .

АНОТАЦІЇ

Завістовський Д.І. Методи розрахунку циліндричних вихрових трактів ракетних і повітряно-реактивних двигунів. — Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.07.05 — Двигуни та енергоустановки літальних апаратів. — Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”, Харків, 2003.

Дисертація присвячена всебічному дослідженню гідравлічних характеристик циліндричних вихрових трактів (ЦВТ). Особлива увага приділена так званим асиметричним ЦВТ чи АЦВТ.

Показано взаємозв'язок плинів у ЦВТ і гладких каналах. Доведено, що плин у ЦВТ є найбільш загальним випадком канального плину і підкоряється рівнянню Дарсі-Вейсбаха, вид якого для випадку ЦВТ був також отриманий. Введено у розгляд ряд визначальних структурний плин у ЦВТ параметрів: такі як структурна функція і функція асиметрії. Отримані критеріальні рівняння шляхових і місцевих втрат у ЦВТ. Проведено оптимізацію змішувально-розпилюючих пристроїв на базі ЦВТ у залежності від їхнього призначення (виду цільової функції).

Проведено експериментальне дослідження гідравлічних характеристик ЦВТ і показано задовільна сходимість теоретичних та експериментальних результатів.

Розроблено алгоритм перевірочного розрахунку форсуночних пристроїв на основі циліндричних вихрових трактів.

Ключові слова: технологічний газогенератор, стабілізація полум'я, двигуни малих тяг, камера згоряння, циліндричний вихровий тракт, канальний плин, структурна функція, ячейкова форсунка.

Завистовский Д.И. Методы расчета цилиндрических вихревых трактов ракетных и воздушно-реактивных двигателей. — Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.05 — Двигатели и энергоустановки летательных аппаратов. — Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского “ХАИ”, Харьков, 2003.

Диссертация посвящена всестороннему исследованию гидравлических характеристик цилиндрических вихревых трактов (ЦВТ), применительно к форсуночным устройствам ЖРД, фронтовым устройствам ГТД, смесительно-распыливающим устройствам газогенераторов специального технологического назначения, а также использующихся в качестве охлаждающих трактов и газодинамических стабилизаторов пламени вышеназванных устройств. Особое внимание уделено методам расчета так называемых асимметричных ЦВТ или АЦВТ.

Приведен анализ современных разработок и исследований по организации предпламенных процессов в камерах сгорания тепловых двигателей летательных аппаратов. Дана классификация так называемых ячейковых форсунок (выполненных на базе цилиндрических вихревых трактов) и их место в общей классификации подобных устройств. Показано, что ячейковые форсунки занимают промежуточное положение по дисперсности распыления между струйными и центробежными форсунками.

Проведено теоретическое исследование структуры цилиндрических вихревых трактов. Показано, что их расходные и дисперсные характеристики напрямую зависят от геометрической структуры трактов.

Получены выражения для определения коэффициента гидравлического сопротивления на стабилизированном и начальном участках течения, а также выражение для определения длины этого участка.

Введены в рассмотрение коэффициенты, определяющие влияние формы, кривизны и шероховатости на гидросопротивление цилиндрических вихревых трактов. Приведены рекомендации по диапазонам величин этих коэффициентов.

Показана взаимосвязь течений в ЦВТ и гладких каналах. Доказано, что течение в ЦВТ является наиболее общим случаем канального течения и подчиняется уравнению Дарси-Вейсбаха, вид которого для случая ЦВТ был также получен. Введен в рассмотрение ряд определяющих структурное течение в ЦВТ параметров: такие как структурная функция и функция асимметрии. Получены критериальные уравнения путевых и местных потерь в ЦВТ. Определены зависимости гидравлических потерь в ЦВТ от шероховатости, формы и кривизны каналов.

Проведено экспериментальное исследование гидравлических характеристик ЦВТ и показана удовлетворительная сходимость теоретических и экспериментальных результатов. Также экспериментально подтверждено расслоение зависимостей для коэффициента гидравлических потерь по числу Рейнольдса.

Экспериментально получены недостающие числовые коэффициенты в выражении по определению коэффициента гидропотерь на начальном участке течения, также для симметричных ЦВТ получено критериальное уравнение по определению этого коэффициента.

Для определения расходных характеристик цилиндрических вихревых трактов введен в рассмотрение приведенный коэффициент расхода и получено выражение для его расчета.

Проведены экспериментальные исследования по распылению модельных жидкостей с помощью метода малоуглового рассеивания светового потока и получены зависимости заутеровского диаметра капель от структурных параметров ЦВТ.

Введена в рассмотрение целевая функция для определения оптимальных параметров ЦВТ при заданных начальных условиях.

Проведена оптимизация смесительно-распыливающих устройств на базе ЦВТ в зависимости от их назначения (вида целевой функции). Показано, что практическое значение (при распылении жидкостей) имеют лишь цилиндрические вихревые тракты, длина которых не превышает длины начального участка течения. В противном случае увеличение длины тракта приводит лишь к росту гидравлических потерь на прокачку жидкости, но не изменяет дисперсных характеристик ячейковой форсунки.

Разработан алгоритм поверочного расчета форсуночных устройств на основе цилиндрических вихревых трактов.

Описано практическое применение устройств на базе цилиндрических вихревых трактов в камерах сгорания технологических газогенераторов в качестве фронтовых устройств и газодинамических стабилизаторов фронта пламени.

Ключевые слова: технологический газогенератор, стабилизация пламени, двигатели малых тяг, камера сгорания, цилиндрический вихревой тракт, канальное течение, структурная функция, ячейковая форсунка.

ZavistovskyThe calculating methods of cylindrical vortical channels of rocket and aerojet engines. – Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.07.05 – Engines and power plants of aircraftes. – National Aerospace University named after N.Е.“KhAI”, Kharkov, 2003.

The thesis is devoted to multifold research of hydraulics of cylindrical vortical сhannels (CVC). The special attention is given so-called asymmetric CVC or ACVC.

The interrelation of flows in CVC and smooth channels is shown. It is proved, that the flow in CVC is most general case of channel flow and submits to the Darcy-Weisbach equation, which kind for a case CVC also was obtained. A number of determining structural flow in CVC parameters are entered into consideration: such as a structural function and function of asymmetry. The criteria equations of traveling and local losses in CVC are obtained. The optimization of mix-injecting devices on CVC basing is carried out depending on their assigning (kind of object function) and also the cases of their practical realization in steep throttling combustion chambers is described.

Keywords: technological gas generator, flame stabilization, small thrusts engines, combustion chamber, cylindrical vortical channel, channel flow, structural function, cell injector.