CC BY
81
УДК 621.45.034.3
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО Е ИССЛЕДОВАНИЕ
ФОРСУНОЧНЫХ МОДУЛЕЙ
© 2006 А.Ю. Васильев, А.И. Майорова, А. А. Свириденков, В.И. Ягодкин
Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова, Москва.
Представлены результаты экспериментальных исследований и методика расчета форсуночных модулей авиационного ГТ Д.
Форсуночный модуль (рис.1) состоит из центробежной форсунки, осевого завих-рителя и внешней цилиндрической обечайки завихрителя. Для проектирования конструкции модуля необходимо выполнить обратную (проектировочную) и прямую (поверочную) задачи расчета его основных геометр ических р азмер ов.
Рис.1 Фотография форсуночного модуля
Условиями выбора геометрических параметров форсунки являются заданные величины расхода топлива и перепада давлений, угол топливного факела на заданных режимах. При расчете воздушного завихрителя задан расход воздуха, перепад давлений на фронтовом устройстве, угол установки лопаток и проектируемый угол выхода струи газа. В целом необходимо проектировать модуль таким образом, чтобы струя топлива, выходящая из топливной форсунки, в пределах длины модуля находилась внутри застойной зоны завихрителя. Обечайка завихрителя должна иметь такую длину, чтобы топливо не попадало на ее поверхность и струи топлива проходили по середине или у внутренней границы воздушного слоя в конце обечайки, если, угол наклона пленки немного больше угла наклона воздушного слоя. В этом случае происходит эффективное дробление пленки топлива в воздушном потоке.
Гидравлический расчет простой центробежной форсунки по программе fnozzle,
разработанной в ЦИАМ, состоит в определении размеров сопла, камеры закручивания и входных каналов. Исходными данными являются угол раскрытия топливного факела а, массовый расход топлива От, его плотность рт, коэффициент кинематической вязкости ут и перепад давлений на форсунке Дрт. В прямом расчете по заданным геометр ическим пар аметр ам опр еделяются р асхо д-ные характеристики форсунки. Программа основана на методике, изложенной в [1]. Зависимость коэффициента трения в камере закручивания от числа Рейнольдса уточнялась на основе тестирования программы по опытам [2].
Результаты расчета коэффициента расхода форсунки и угла факела распыла приведены на рис.2. Размеры форсунки соответствуют работе [2]. Критерий Рейнольдса на рис. 2 вычислен по скорости течения на входе в камеру закручивания и диаметру отвер -стия, площадь которого равна суммарной площади входных каналов. Как видим из рис. 2, а, отклонение расчетного коэффициента расхода форсунки С^ от экспериментальных данных по модифицированной методике находится в пределах 7 %.
Значение угла раскрытия топливного факела зависит от способа его определения. Сплошная линия на рис. 2,б соответствует расчетному корневому углу а^ определяемому из условия
tg(ak / 2) = ив / их, (1)
где их и и д - осевая и тангенциальная скорости жидкости в центре жидкой пленки на выходе из сопла. Пунктирная линия соответствует эффективному углу Ое, то есть углу разлета капель, или углу конуса топливного факела. В опытах [2] измерялся максимальный по длине факела угол. Экспериментальные точки на рис. 2, б лежат между двумя расчетными кривыми.
95 —
90 =-
85 §-
80 §-
75 Ё- .
0) 7 о
: X •
65 =-
60 1. •
: • '
55 \ % 111 її
50 ^ *
45 ■ і
-І___________І............................І
102
103
Ре 104
105
Рис.2. Зависимость коэффициента расхода форсунки (а) и угла факела (б) от числа Рейнольдса, линии - расчет; точки - эксперимент 2]
При малых расходах топлива измеренный угол ближе к эффективному; при больших расходах, когда место разрушения жидкой пленки приближается к соплу, измеренный угол ближе к корневому. Таким образом, расчет дает некоторый диапазон, в котором могут находиться измеряемые значения угла топливного факела.
Воздушный завихритель вместе с внешней обечайкой можно считать «раскрытой» газовой форсункой. Прямой и обратный расчеты газовой форсунки проводились по программе gnozzle, основанной на методике расчета центробежной форсунки пр и замене тангенциальных каналов на лопаточные.
Для согласования размеров форсунки и завихрителя и определения длины обечайки воспользуемся тем фактом, что при постоянном давлении в среде струя топлива, вытекающая из канала форсунки, лежит на по-
верхности гиперболоида вращения, описываемого уравнением [1]
л2 = Л+х2 ^ (а / 2). (2)
Здесь Я0 - средний радиус жидкой пленки в выходном сечении сопла форсунки.
Отсюда можно определить место пересечения пленки топлива с воздушным слоем завихрителя.
В качестве примера приведем расчет модуля, состоящего из центробежной фор -сунки типа ПС-90 (рис.3) с шестью тангенциальными каналами и завихрителя с цилиндрической обечайкой (рис.4).
Диаметр сопла форсунки составлял 3.8 мм, расчетный корневой угол факела для режимов От = 6 ... 149.5 г/с изменялся в пределах 95.3-95.8°.
Рис.3. Схема центробежной форсунки
Рис.4. Схема воздушного завихрителя
б
Т. к для газовой форсунки числа Рейнольдса велики и влияние трения несущественно, то все расходные характеристики, кроме коэффициента расхода (и, соответственно, перепада давлений), практически не зависят от расхода газа и режимных параметров. Для всех режимов толщина слоя воздуха составляла 2.94 мм и, соответственно, радиус воздушного вихря около 14 мм.
Задав Я = 15.53 (середина воздушного вихря завихрителя), Я0 = 1.765 (середина топливной пленки на выходе из сопла), полу -чим из уравнения (2) Х= 13.94 @ 14 мм. Если продлить длину обечайки до 14 мм, то пленка топлива попадает в середину слоя возду -ха и поэтому ее дробление будет наиболее эффективным.
Расходные характеристики форсунки, соответствующие автономным испытаниям (без завихрителя) при давлении окружающей среды 100 кПА и температуре 280 К представлены на рис.5. Среднезаутеровский диаметр капель 8МБ в расчете определялся по формуле Лефевра [3].
SMD= 4.52
Ґ 2 Л0'25
Рв^Рі
+0.39
V
Ґ Л025
оТрТ
ОосД )025 2
(Уео^) 2
0.75
д Рт, МГЬ
VРв^Рт у
Здесь тт, От - динамическая вязкость и коэффициент поверхностного натяжения топлива, рВ - плотность воздуха, w - толщина жидкой пленки в выходном сечении сопла форсунки.
Измерения размеров капель выполнялись методом рассеяния на малые углы и флюоресцентно-поляризационным методом [4]. Как видим из рис. 5, согласование расчета и эксперимента вполне удовлетворительное.
Толщина пленки в месте ее самопроизвольного распада согласно расчету, равна примерно 0.27 мм, среднезаутеровский диаметр капель при ОТ = 8.5 г/с составляет 198 мкм в измерениях и 190 мкм в расчете. Для уменьшения размеров капель была предложена модификация форсуночного модуля. Модификация состоит в создании комбинированной форсунки с центральным отвер-стием для подачи воздуха по оси факела распыливания. Цели модификации состояли в создании устойчивой пленки топлива при небольших перепадах давлений топлива и воздуха и ее эффективного дробления. Следует отметить, что дополнительное подмешивание воздуха к факелу может только улучшить мелкость капель вследствие уменьшения их концентрации из-за ослабления эффекта коагуляции.
^ дРт, МГа
Т аблица 1. Результаты измерений характеристик _____________форсуночного модуля_______________
№ АР0, кПа АРк, кПа АРт, кПа От, г/с БМБ, мкм С у *10'4
1 0-18 0 13 8,5 198 23.1
2 0 4.6 12 8,5 75 16.2
3 34.5 4.6 12 8,5 54 8.3
4 5.3 5.7 12 8,5 27 9.3
5 0 5.7 11 8,3 27 9.5
6 0 9.2 10 8,3 14 5.9
7 8.8 9.0 10 8,3 13 4.9
8 3.6 8.8 12 8,3 19 8.6
Рис. 5 Расходные характеристики форсунки; Результаты измфший характерисгик
линии - расчет, точки - эксперимент авторов форсуночного модуля сведены в таблице 1.
Здесь ДР0 - перепад давлений воздуха в центральном канале форсунки, ДРк - перепад
давлений воздуха на завихрителе, СV- ос-редненная объемная концентрация топлива в плоскости лазерного луча на расстоянии 40 мм от сопла форсунки.
Как видно из таблицы 1, без подачи воздуха в завихритель размеры капель порядка толщины пленки. Подача воздуха в завихритель с расходом 25 г/с уменьшает размеры капель со 198 до 75 мкм. При этом воздух, подаваемый в центральный канал форсунки, не принимает участия в распыли-вании, что видно из первой строчки таблицы
1. Роль центрального потока воздуха, главным образом, состоит в поддержании стабильной формы жидкой пленки, в результате чего она, утончаясь, попадает в слой закрученного воздуха и легко дробится (т.н. «эффект быстрого распыливания»).
При малых перепадах давления возду -ха на завихрителе подача воздуха в центральный канал уменьшает размеры капель (с 75 мкм до 54 мкм). При дальнейшем увеличении расхода воздуха через завихритель подача воздуха через центральный канал форсунки не оказывает влияния на размер капель. Это связано с тем, что при этих режимах работы фронтового устройства происходит чисто пневматическое распылива-ние топлива в кольцевой струе воздуха. Размеры капель по измерениям: 27 мкм и 14 мкм, при расходах топлива - 8,3 г/с (перепад 10 кПа), а воздуха - 25 и 38 г/с.
Таким образом, эти результаты показывают, что даже простые устройства типа форсунка - завихритель с короткой цилиндрической обечайкой при их оптимизации дают существенное улучшение распыливания на режимах, близких к малому газу.
В данной работе окружная неравномерность распределения концентрации топлива в сечении факела определялась по измеренной величине интенсивности флуоресценции. Для этого использовалось изображение факела на расстоянии 40 мм от форсунки. На рис.6 показана величина неравномерности концентрации капель в виде обычной диаграммы, соответствующей методу механического определения окружной неравномерности с помощью 12 секторных отборников с углом осреднения 30°. Ис-
пользовалась так называемая относительная секторная величина неравномерности потоков массы топлива за форсунками.
В результате обработки получена важная для практики характеристика факела распыливания - окружная неравномерность концентрации, которая сильно влияет на все хар актер истик и камер ы сгор ания.
90 1.5
Рис.6. Окружная относительная секторная неравномерность концентрации топлива в факеле (по 12 секторам)
Видно, что неравномерность факела достаточно мала (менее 15 %), что свидетельствует о равномерности толщины пленки топлива и ее расположения внутри моду -ля (т.е. о хорошей симметрии течений топлива и воздуха).
Помимо представленных выше данных по измерениям в открытом пространстве авторами проводились измерения дисперсности факела распыла струйной форсунки в барокамере при повышенном давлении. Определялось распределение как средних, так и пульсационных составляющих концентрации распыленного топлива. Для определения пульсаций концентрации при постоянных параметрах режима (отклонение в расходах топлива и воздуха составляло менее 1%) проводилась многократная съемка (20 кадров) факела распыла за форсункой. По полу -ченным фотографиям определялось среднее значение распределения концентрации и вычислялось среднеквадратичное отклонение от среднего значения. Результаты такой обработки приведены на рис.7.
Как видно из приведенного рисунка, макси маль ны й уров ень пу ль саций на гр ани-це струи топлива равен 20%, что соответствует уровню пульсаций скорости в струях.
W Ш Ш Ш ЦП
Рис. 7. Распределение пульсаций концентрации распыленного топлива С/Стах в барокамере. 1 пиксель соответствует 0.1мм. Рк=200 кПа. От =8 г/с, Рт =500 кПа
Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований, проект № 05-08-17942
Список литературы
1. Дитякин Ю. Ф., Клячко Л. А., Новиков Б.В., Ягодкин В.И. Распыливание жидкостей. М.: Машиностроение. 1977. 208 с.
2. P. Broll and P. Walzel. Piv measurements in pressure swirl atomizers//ILASS - Europe 2001. Proceedings 17th annual conference on liquid atomization&spray system. P. 806-811.
3. Lefebvre A.H Atomization and Sprays. Combustion: An International Series. 1989.
4. В.И. Ягодкин, А.Г. Голубев, А. А. Сви-риденков, А.Ю. Васильев Способ и устройство для определения характеристик топливного факела Патент РФ на изобретение № 2240536 от 21.03.03
DESIGN AND EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF COMBUSTORS ATOMIZING DEVICE
© 2006 A.Y. Vasiliev, A.I. Maiorova, A.A. Sviridenkov, V.I.Yagodkin
Design procedure of combustors atomization device including pressure swirl fiel nozzle +air axial swirler + its sidewall is proposed based on hydraulic calculations of simple pressure swirl fiel atomizer and air swirler. Geometrical parameters are chosen so that fiel jets are not collided with air swirler wall and propagated in air layer or near its inner boundary at the end of the sidewall. Example of atomizing device PS-90 type is given. By means of optical diagnostics methods for simultaneous fiel drop size and concentration determination in spray cross sections, modified atomization system were developed with low drop size (SMD lesser 20^m) and angular non-uniformity (lesser 15%).
