Расчет форсунок

Министерство образования Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ижевский Государственный Технический Университет Приборостроительный факультет Кафедра «Физика и оптотехника»

Лабораторная работа по дисциплине: «Теория и проектирование непрерывных химических лазеров»

«Расчет форсунок»

Принял: Зав. Кафедрой «Физика и оптотехника»

В.В. Бесогонов Выполнил: студент группы 10−32−1

И.И. Абрамов Ижевск 2011

1. Расчет и проектирование форсуночной головки

1.1 Расчет суммарного расхода топлива Методика расчета приведена в [1,2].

Удельная мощность излучения на расход атомарного фтора (1):

где (1) Pk — давление в камере сгорания, Pk=1 кг/см²;

Удельная мощность излучения с суммарного расхода топливной смеси (2):

(2)

Wf — удельная мощность излучения на расход атомарного фтора,

Wf= ;

?1 — коэффициент избытка окислителя, ?1=2.2;

?1 — коэффициент избытка разбавителя, ?1=10;

?2 — коэффициент избытка вторичного горючего (37),

где (3) ?1 — коэффициент избытка вторичного горючего в резонаторе из рисунка 23, ?1=0.95 Найдем суммарный расход топливной смеси (4):

кг/с, где (4) Pr — мощность необходимая для решения поставленной задачи, Pr=415 000 Вт (полная мощность с учетом потерь и запасом по мощности 15%);

k1 — коэффициент учитывающий, что мощность снимается не со всего объема резонатора, k1=1.5;

N_? — удельная мощность излучения с суммарного расхода топливной смеси, кг/с;

Массовый расход топливной смеси через ГАФ (5):

кг/с,

где (5) m_? — суммарный расход топливной смеси;

?1 — коэффициент избытка окислителя;

?1 — коэффициент избытка разбавителя;

?2 — коэффициент избытка вторичного горючего.

Расход отдельных компонентов:

Расход водорода (6):

кг/с, Где (6) mgaf — массовый расход топливной смеси через ГАФ;

?1 — коэффициент избытка окислителя;

?1 — коэффициент избытка разбавителя.

Расход фтора (7):

кг/с, где (7) mH2 — расход водорода;

?1 — коэффициент избытка окислителя.

Расход гелия (8):

кг/с,

где (8) mH2 — расход водорода;

?1 — коэффициент избытка окислителя;

?1 — коэффициент избытка разбавителя.

Расход дейтерия (9):

кг/с,

где (9) mH2 — расход водорода, кг/с;

?1 — коэффициент избытка окислителя, ?1=2.2;

?2 — коэффициент избытка вторичного горючего, ?2=13.333;

1.2 Расчет форсуночной головки и камеры сгорания Для подачи компонентов в камеру сгорания ГАФ, которые находятся в газообразном состоянии, как правило, используются газовые форсунки. Перепад давления в таких форсунках обычно выбирается из диапазона? P=2?5 кг/см². Число форсунок зависит от размеров форсуночной головки и шага форсунок. Шаг форсунок выбирается в зависимости от их расположения с учетом возможно более равномерного распределения по сечению камеры сгорания соотношения компонентов и расходо напряженности, а также защиты стенок камеры сгорания от прогара. Расположение форсунок связано с ориентацией их осей, которые могут быть либо параллельны друг другу, либо пересекаться под углом. В камерах сгорания ГАФ, работающих на однокомпонентных форсунках, для обеспечения хорошего смешения форсунки первичного горючего и окислителя равномерно чередуют с шагом 5?10 мм [1,2].

Площадь поверхности форсуночной головки S_Ф обычно соответствует площади поверхности соплового блока (СБ) S_сб, которая определяется через удельную мощность излучения на единицу площади СБ — W_S:

Площадь форсуночной головки (10):

м², где (10)

Pr — мощность необходимая для решения поставленной задачи;

k1 — коэффициент учитывающий что мощность снимается не со всего объема резонатора;

Wsудельная мощность на единицу площади, задается в пределах от Вт/м², Ws= Вт/м² ;

Найдем ширину форсуночной головки (11):

м,

где (11) Sсб — площадь соплового блока;

Hfвысота соплового блока, м;

Для расчета объема и длины камеры сгорания необходимо знать молярную массу смеси:

Определим объем КС. Условное время пребывания реагирующих в КС компонентов примем 0.003 с из диапазона 0.001?0.003с, однако оптимальная длина камеры сгорания лежит в области 20−30 см, поэтому немного увеличим время нахождения смеси в ГАФ до 0.005. Тогда объем камеры сгорания равен (12):

м³, где (12)

?t — условное время пребывания реагирующих в КС компонентов;

m_gaf — массовый расход топлива через ГАФ

Rr — универсальная газовая постоянная, 8.314 Дж/(кг•моль);

T_k — температура смеси в КС, T_k = 1593 К (из термодинамических расчетов);

? — молярная масса смеси,? = 0.0092 кг/моль (из термодинамических расчетов);

P_k1 — давление в КС, P_k1 = 10⁵ Па.

Длина камеры сгорания (13):

м, где (13)

V_k — объем КС, м³;

Hf — высота форсуночной головки;

B1 — ширина форсуночной головки.

1.3 Расчет форсунок для подачи компонентов Для подачи компонентов в КС целесообразно использовать струйные форсунки. Перепад давлений в таких форсунках выбирается в пределах? P=2−5 кг/см² [1,2].

Рисунок 1. Однокомпонентная газовая форсунка Форсунки для подачи водорода:

Определим режим истечения: примем значение перепада давления в форсунках? P =2 кг/см², то есть давление в форсунках P_Ф=3 кг/см², тогда:

где (14) P_k — давление в камере сгорания (КС), P_k=1 кг/см²;

P_Ф — давление в форсунке, P_Ф=3 кг/см²;

k_p — показатель адиабаты, из термодинамического расчета k_p=1.49.

следовательно, режим истечения — сверхкритический.

Площадь проходного отверстия форсунки (15):

м² ,

где (15) mH2 — расход водорода, mH 2= кг/с;

n_H — количество форсунок, n_H =26;

?₁ — коэффициент расхода, учитывающий сужение струи и уменьшение действительной скорости течения в реальной форсунке, ?₁=0.8;

P_Ф — давление в форсунке, P_Ф=3 кг/см²;

k_p — показатель адиабаты, из термодинамического расчета k_p=1.49;

Т _вх— температура водорода, Т _вх =300К;

Rr — универсальная газовая постоянная, 8.314 Дж/(кг•моль);

?H2 — молярная масса смеси, ?H2 = 0.002 кг/моль (из термодинамических расчетов).

Диаметр проходного отверстия форсунки (16):

м (16)

Длина форсунки (17):

м,

где (17) klф — коэффициент учитывающий скорость газового потока, klф=1.5;

Форсунки для фтора:

Площадь проходного отверстия форсунки (18):

м²,

Где (19) mF2 — расход водорода, mF 2=0.018 кг/с;

n_F — количество форсунок, n_F =42;

?₁ — коэффициент расхода, учитывающий сужение струи и уменьшение действительной скорости течения в реальной форсунке, ?₁=0.8;

P_Ф — давление в форсунке, P_Ф=3 кг/см²;

k_p — показатель адиабаты, из термодинамического расчета k_p=1.49;

Т _вх— температура водорода, Т _вх =300К;

Rr — универсальная газовая постоянная, 8.314 Дж/(кг•моль);

?F2 — молярная масса смеси, ?F2 = 0.0038 кг/моль (из термодинамических расчетов);

Диаметр проходного отверстия форсунки (20):

м, (20)

Длина форсунки (21):

м, где (21) klф — коэффициент учитывающий скорость газового потока, klф=1.5;

Форсунки для подачи гелия:

Площадь проходного отверстия форсунки (22):

м²,

где (22) mHe — расход гелия, mHe=0.01 кг/с;

n_{H e} — количество форсунок, n_{H e}=60;

?₁ — коэффициент расхода, учитывающий сужение струи и уменьшение действительной скорости течения в реальной форсунке, ?₁=0.8;

P_Ф — давление в форсунке, P_Ф=3 кг/см²;

k_p — показатель адиабаты, из термодинамического расчета k_p=1.49;

Т _вх— температура водорода, Т _вх =300К;

Rr — универсальная газовая постоянная, 8.314 Дж/(кг•моль);

?H2 — молярная масса смеси, ?H2 = 0.004 кг/моль (из термодинамических расчетов);

Диаметр проходного отверстия форсунки (23):

м (23)

Длина форсунки (24):

м,

Где (24) klф — коэффициент учитывающий скорость газового потока, klф=1.5;

Зона смещения (25):

м, (25)

где lф — коэффициент смещения берется от 20 до 40, lф=20;

lшшаг форсунок, lш=37,7 (рисунок 2);

Рисунок 2. Форсуночная головка со схемой расположения форсунок (масштаб не соблюден).

Расчет форсунок для дейтерия Найдем площадь проходного отверстия форсунки (26):

м²,

Где (26) mD2 — расход водорода, mD2= кг/с;

n_D2 — количество форсунок, n_D2=6132;

?₁ — коэффициент расхода, учитывающий сужение струи и уменьшение действительной скорости течения в реальной форсунке, ?₁=0.8;

P_Ф — давление в форсунке, P_Ф=3 кг/см²;

k_p1 — показатель адиабаты, из термодинамического расчета k_p1=1.55;

Т _вх— температура водорода, Т _вх =300К;

Rr — универсальная газовая постоянная, 8.314 Дж/(кг•моль);

?D2 — молярная масса смеси, ?D2 = 0.004 кг/моль (из термодинамических расчетов);

Найдем диаметр проходного отверстия форсунки (27):

м (27)

Найдем длину форсунки (28):

м,

где (28) klф — коэффициент учитывающий скорость газового потока, klф=1.5;

Найдем зону смешения для атомарного фтора и дейтерия (29):

см,

где (29) ?L_отв — шаг отверстий в трубке, ?L_отв=0.340 см;

Найдем площадь проходного отверстия трубки для дейтерия (30):

м²,

где (30) mD2 — расход дейтерия, mD2= кг/с;

N_тр — количество трубок, N_тр=84;

?₁ — коэффициент расхода, учитывающий сужение струи и уменьшение действительной скорости течения в реальной форсунке, ?₁=0.8;

P_Ф — давление в форсунке, P_Ф=3 кг/см²;

k_p1 — показатель адиабаты, из термодинамического расчета k_p1=1.55;

Т _вх— температура водорода, Т _вх =300К;

Rr — универсальная газовая постоянная, 8.314 Дж/(кг•моль);

?D2 — молярная масса смеси, ?D2 = 0.004 кг/моль (из термодинамических расчетов);

Диаметр проходного отверстия трубки (31):

м. (31)

Внешний диаметр трубки (32):

м, (32)

L_тр— толщина стенки трубки, м;

форсунка топливо камера

1. Федоров И. А. Непрерывные химические лазеры на рабочих молекулах фтористого водорода и фтористого дейтерия: Учебное пособие в 2-х кн.; Кн.1 Балт. гос. техн. университет. СПб, 1994, 125с.

2. Федоров И. А. Непрерывные химические лазеры на рабочих молекулах фтористого водорода и фтористого дейтерия: Учебное пособие в 2-х кн.; Кн.2 Балт. гос. техн. университет. СПб, 1994, 186с.