книги из ГПНТБ / Кулагин Л.В. Форсунки для распыливания тяжелых топлив

ная по сечению осевая скорость вне зависимости от пло­ щади, закрываемой центральной деталью. Это также подтверждается следующим расчетом. Если вместо коэф­ фициентов расхода подставить значения самих расходов,

будет прямо пропорционален среднему значению танген­

закрученного потока в области максимального значения тангенциальной скорости приведет к потере момента количества движения, особенно при работе на тяжелых топливах. Это вызовет резкое снижение среднего значе­ ния тангенциальной скорости и угла факела. Наиболее существенно угол факела уменьшается при малых вели­ чинах ф' и lr = rcn/rmll (рис. 40).

На параметры работы второй ступени влияет не только величина наружного диаметра сопла первой ступени, но и взаимное расположение осей обоих сопл, т. е. эксцентри-

100

ситет. Эксперименты показали, что с увеличением эксцен­ триситета растет расход топлива и искажается форма факела. Это проявляется в случае, когда наружный диаметр сопла первой ступени больше диаметра воздуш­ ного вихря второй ступени, т. е. при ф' << ф.

Известно, что чем больше значение геометрической характеристики, тем меньше коэффициент живого сече­ ния и больше размер воздушного вихря. В применяемых

для одноступенчатой центробежной форсунки. Выполнить это условие практически несложно, но очень важно для обеспечения лучшей и более надежной работы второй ступени форсунки. В этом случае топливо не касается наружной поверхности сопла первой ступени; следова­ тельно, можно допустить несколько больший эксцентри­ ситет и снизить требования к точности при сборке фор­ сунки. При этом уменьшаются гидравлические потери.

При одновременной работе обеих ступеней двухсопловой форсунки каждая ступень имеет полностью незави­ симый контур, поэтому расход топлива при любом зна­ чении давления в каждой ступени определяется как ариф­ метическая сумма расходов через первую и вторую сту­ пени:

101

соотношения размеров в двухсопловых форсунках таковы, что Аг > Л и и соответственно этому угол факела первой ступени больше угла факела второй ступени. Траектории движения частиц топлива, выходящих из обеих ступеней, пересекаются, и угол факела будет иметь какую-то сред­ нюю величину. Если сложить векторы количеств движе­ ния топлива первой и второй ступеней, то направление суммарного вектора количества движения определяет

истечения, массовые расходы топлива и углы факела при работе соответственно первой и второй ступени.

В первом приближении скорость топлива на выходе из сопла каждой ступени можно определить по формуле, приведенной выше.

Результаты расчета общего угла факела по уравне­ нию (83) и опытные данные приведены ниже. Отклоне­ ния расчетных от опытных значений общих углов факела

в°:

эксперименталь­

102

вая 2) при различных давлениях подачи топлива. Эти

среднемассовый размер фракций рассчитывается по урав­ нению

* I G I + * I I ° I I

ХІЗ —

Однако опытные значения средних диаметров капель получаются несколько выше расчетных, что объясняется ухудшением условий распада топливной струи на выходе из каждой ступени. При раздельной подаче топлива по

103

ступеням наружный воздух оказывает воздействие на топливную пленку с двух сторон. При совместной работе обеих ступеней поток топливных частиц из первой сту­ пени с внешней стороны окружен наружным потоком частиц из второй ступени, расположенных очень близко к топливным частицам первой ступени. Из-за взаимного экранирования влияние воздуха на дробление топливных

частиц каждой ступени уменьшается и соответственно

ствуют и их нельзя рассматривать отдельно, что подтверж­ дается и экспериментами. В этом случае можно считать, что из форсунки вытекает одна топливная струя со сред­ ней скоростью и общей толщиной пленки.

При одном и том же давлении подачи топлива в обеих ступенях в первом приближении можно считать толщину пленки пропорциональной расходу топлива. Принимая также связь среднего диаметра капель с толщиной пленки топлива прямо пропорциональной, можно определить медианный диаметр капель при работе обеих ступеней по зависимости

где хми — медианные диаметры капель, получаемые при работе второй ступени.

104

На рис. 41 для сравнения даны расчетные и опытные кривые. При расчетах использовалось уравнение (84). Так как обе кривые располагаются близко одна к другой, то для ориентировочных оценок тонкости распыливания топлива можно использовать уравнение (84).

Для получения более точных зависимостей целесооб­ разно рассчитывать общую толщину пленки топлива и среднюю скорость топлива и затем по уравнению (72) определять медианный диаметр фракций.

Толщина пленки топлива может быть найдена по урав­ нению (63), в которое вместо cos -^- подставляется cos -у-

Так как диаметр капель зависит в основном от коли­ чества затраченной энергии струи топлива, то среднюю скорость необходимо подсчитывать по формуле

(86)

Результаты опытных данных, полученных при одно­ временной работе обеих ступеней, совпадают с резуль­ татами, полученными опытным путем при работе каждой ступени отдельно (рис. 42). Результаты экспериментов характеризуются общей зависимостью как при равных давлениях подачи топлива в обеих ступенях, так и при различных давлениях подачи по ступеням.

На рис. 43 показано влияние давления подачи вязкого топлива на опытные удельные потоки в сечении факела, расположенном нормально к оси форсунки, при работе каждой ступени. Кривые рис. 43. построены для практи­ ческих условий работы форсунки с соотношением давле­

нием давлений подачи топлива в первой и во второй ступенях топливо распределяется более равномерно. Мак­ симальные значения удельного потока топлива сни­ жаются, и кривые в районе максимумов проходят более плавно, что характерно и для одноступенчатых форсунок. Однако с увеличением давлений подачи топлива у одно-

105

ступенчатых форсунок максимумы удельного потока топ­ лива сближаются, а в приведенном на рис. 43 удаляются. Такое изменение характера кривых удельного потока связано с увеличением значений общего угла факела двухсопловой форсунки при выбранном режиме регули-

п я

Рис. 43. Опытные удельные потоки вязкого топлива в радиальном сечении факела для двухсопловых форсунок:

рования. Некоторая асимметрия графика, определяющего распределение удельного потока топлива, объясняется недостаточной точностью изготовления и сборки форсунки.

Из рассмотрения распределения топлива в радиальном сечении факела следует, что несмотря на подачу топлива двумя различными соплами при dcl = 2dc2 факел топлива представляет собой единый полый конус, как и факел одноступенчатой форсунки.

Двухкамерные форсунки с общим выходным соплом

Если сопло первой ступени двухсопловой форсунки переместить внутрь камеры закручивания второй ступепени, то получим двухкамерную форсунку с двумя ка­ мерами закручивания и общим выходным соплом. Каждая из ступеней такой форсунки имеет самостоятельный кон­ тур с тангенциальными входными каналами, камерой закручивания и соплом. Конструктивно эти форсунки выполняют в виде двух одноступенчатых центробежных форсунок или с деталями, притертыми одна к другой по торцовым плоскостям, или запрессованными одна в дру­ гую (рис. 44).

106

Первая ступень Представляет собой наружный контур с малым расходом топлива, а внутренний контур, имеющий большие расходы, является второй ступенью (рис. 45). Топливо второй ступени в форме кольцевой пленки со значительной скоростью поступает в камеру закручива-

Рис. 44. Двухка­ мерная форсунка с общим выходным соплом

ния первой ступени, а затем оба топливных потока направ­ ляются в зону горения. На промежуточных режимах первая ступень работает с более высоким давлением, чем вторая. Вследствие перемешивания топлива внутри фор­ сунки устанавливается некоторая средняя скорость топ­ лива, с которой оно поступает в зону горения. Направле­ ния закручивания потоков обеих ступеней должны совпа­ дать, иначе из-за больших потерь энергии значительно ухудшается качество распыливания.

Б-Б

При подаче топлива только в первую ступень основ­ ные параметры работы форсунки можно определить по уравнениям одноступенчатых форсунок.

Распыливание топлива при его подаче только во вто­ рую ступень имеет две стадии. Сначала при поступлении топлива во второй ступени формируется динамический вихрь, величина которого определяется в основном гео­ метрическими размерами и режимом работы второй сту­ пени. Затем топливо в виде пленки вытекает из централь­ ного" отверстия камеры закручивания,, выполняющего функцию сопла второй ступени, в первую ступень, где из-за тангенциального направления скорости топливного потока также образуется динамический вихрь.

107

Если учесть в расчете «двойное» изменение момента количества движения во второй ступени (начального М0 = pWnRn, где Ru— расстояние от оси входного сечения камеры второй ступени до оси форсунки), а затем соответствующее изменение в камере закручивания пер­ вой ступени, то, как и для одноступенчатых форсунок, получим приведенную геометрическую характеристику [9]

где Аэи — эквивалентная характеристика второй сту­ пени;

гл — радиус сопла первой ступени.

Значение характеристики Ап однозначно определяет величины коэффициента расхода и угла факела по за­ висимостям вида (21) и (57).

Для учета потерь момента количества движения топ­ лива в камере закручивания первой ступени в результате трения о торцовые стенки на участке Rl — rcl (Rï — расстояние от оси входного сечения камеры первой сту­ пени до оси форсунки) необходимо заменить приведенную характеристику эквивалентной

Как показали эксперименты, при использовании при­ веденной характеристики (87) в качестве аргумента опыт­ ные значения углов факела получены меньшие, чем расчетные, а при использовании эквивалентной харак­ теристики меньшими оказались опытные значения коэф­ фициента расхода [9]. С повышением вязкости топлива расхождение опытных и расчетных значений гидравличе­ ских показателей увеличивается. Следовательно, при работе форсунки только во второй ступени резко возра­ стают потери как момента количества движения, так и общего напора. Этот же вывод следует из результатов измерения тонкости распыливания.

На рис. 46 приведены опытные зависимости медианного диаметра капель от давления топлива при работе каждой ступени отдельно и обеих ступеней одновременно. Из этих зависимостей видно, что при работе одной второй

108

Ступени средние диаметры капель получаются значи­ тельно больше, чем у одноступенчатых форсунок при аналогичных режимах работы.

по спирали, оставляет в центре воздушный вихрь. Топливо второй ступени уже не заполняет периферийную часть камеры закручивания первой ступени, а проходит по центру вдоль «стенок» воздушного канала, несколько сужая воздушный вихрь и оттесняя топливо, которое

х„ мм

Рис. 46. Зависимость ме­ дианного диаметра капель от давления топлива в двухкамерной форсунке при работе:

1 — первой ступени; 2 — второй ступени; 3 — при совместной работе обеих ступеней

поступает через' первую ступень. Когда работает только одна вторая ступень, распыливание происходит как бы дважды, а именно при выходе из второй ступени в камеру закручивания первой ступени и затем после истечения через сопло первой ступени в зону горения. В этом слу­ чае происходит сужение факела вследствие значитель­ ного уменьшения тангенциальной составляющей скорости по сравнению с тангенциальной составляющей скорости, когда работает вторая ступень, а первая ступень отсут­ ствует. Потеря тангенциальной скорости приводит к уве­ личению толщины пленки топлива. Дополнительная сту­ пень определяет и большие потери энергии.

Потеря энергии, уменьшение угла, увеличение тол­ щины пленки топлива оказывают одностороннее воздей­ ствие на тонкость распыливания и в результате проис­ ходит резкое увеличение диаметров капель. При выборе системы регулирования должны быть исключены режимы работы форсунки на одной второй ступени, что обычно и выполняется на практике. С учетом этого дальнейшим уточнением расчета одной второй ступени не занимаются.

При совместной работе обеих ступеней двухкамерной форсунки в камере закручивания первой ступени про­ исходит смешение двух топливных потоков. Каждый из потоков оказывает противодавление, создавая дополни-

109