Газодинамика струй, охлаждаемых водой


 

Охлаждение высокотемпературных струй двигательной установки водой является эффективным способом снижения тепловых нагрузок на газоотводящие устройства. Так, при смешении единицы веса продуктов сгорания смеси топлива "керосин + кислород" с 1,5 единицами воды температура смеси будет ниже температуры плавления стали облицовки отражательного экрана.

Вначале этот способ применялся на огневых стендах, отражатели которых при испытаниях двигательной установки подвергаются интенсивному и длительному (несколько минут) тепловому и силовому воздействию струй двигательной установки.

На старте охлаждение газовых струй водой стало использоваться при увеличении длительности теплового воздействия за счет увеличения диаметра сопел (для "Сатурн-5" ), суммарной тяги двигательной установки и температуры сгорания топлив ("Спейс шаттл", "Сатурн-5", "Энергия", "Зенит"). Благодаря применению ввода воды в струи двигательной установки ракеты-носителя "Зенит" стало возможно создать пусковую установку с минимальными интервалами между пусками без проведения ремонтно-восстановительных работ.

Вода вводится в струи либо патрубками, размещаемыми в струе под срезом сопел (под углом к струе), либо направляется струйными жиклерами под давлением порядка перпендикулярно к газовой струе.

При смешении газов с водой происходит не только снижение их температуры, но и существенное изменение газодинамических параметров струи. В результате достигается снижение всего комплекса нагрузок на пусковую установку и ракету-носитель: ударно-волновых, газодинамических, тепловых и акустических.

Эффект изменения газодинамических параметров наиболее наглядно выявляется на основе методики расчета по осредненным параметрам, аналогично вышеизложенной для сухой струи. Ввод в струю патрубков вызывает волновые потери и потери импульса на сопротивление, которые зависят от места расположения патрубка, угла и относительной площади патрубка в сечении струи. Сила сопротивления будет наибольшей в узких сечениях струи и наименьшей в широких. Коэффициент потери импульса .

Струя после взаимодействия с патрубками увеличивается в сечении, интенсивность волновых процессов в струе падает. Эту струю в дальнейшем будем называть вторичной. При значительной площади патрубков ( ) после них наблюдается безударное течение. Формирование вторичной (новой) струи происходит на длине примерно 0,4 "бочки" волновой структуры от среза патрубков. Принимается, что вводимая в струю вода перемешивается и испаряется на длине примерно ; течение считается одномерным.

При смешении с водой, помимо падения температуры, происходит падение полного давления и возрастание энтропии, статическое давление приближается к атмосферному. Уменьшается удельное силовое воздействие и снижается коэффициент теплопередачи.

Газовые постоянные смеси , определяются аддитивно, исходя из относительного расхода воды .

Кроме того, при составлении алгоритмов газодинамического расчета принимаются следующие допущения:

· не учитывается подмешивание воздуха;

· применяется уравнение состояния для идеального газа, диссоциация не учитывается ( ).

2.3.1. Учет ввода воды в струю патрубками

Схема образования вторичной струи представлена на рис.2.18.

 

Рис.2.18. Схема образования вторичной струи

 

Струя изменяет свои начальные параметры из-за:

· влияния патрубков (потеря импульса );

· увеличения массы ; (балластирование продуктов сгорания);

· уменьшения температуры струи в зависимости от : , . определяется из термодинамического расчета, результаты которого для продуктов сгорания топлива "керосин – кислород" и воды представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Относительная температура смеси продуктов сгорания
"керосин – кислород" и воды

j 0,25 0,5 0,75 1,0 1,25 1,5 1,75 2,0
0,83 0,7 0,63 0,5 0,42 0,36 0,3 0,25

 

Другие термодинамические параметры могут определяться аддитивно:

;

,

где – число степеней свободы молекулы воды;

;

.

Заданные параметры на срезе сопла (сечение "a – a"): , , , , , , .

По , и определяются следующие параметры в начальном сечении вторичной струи: , , , , , , .

Критерии и определяются как для исходной (первичной) струи, так и для вторичной по формулам:

; .

Начальное сечение вторичной струи условно смещается назад против течения на 0,6 "бочки" вторичной струи ( ) от среза патрубков.

Значение потерь импульса будем определять по параметрам сечений первичной струи, в которых размещаются патрубки:

а) в широком сечении

,

;

б) в узком сечении

.

Расчет параметров начального сечения вторичной струи будем проводить по ближайшему широкому сечению первичной струи вверх от сечения расположения среза патрубков (газодинамические сечения "а"; 1'; 2'; 3'; 4' на рис. 2.18).

 

2.3.2. Определение исходных газодинамических параметров вторичной струи (с уменьшенным импульсом, балластированной и охлажденной) в ее начальном сечении "2а"

Параметры: , , , , , .

В некоторых литературных источниках применяются индексы "см" – смешанные с водой продукты сгорания.

1. Уравнение потери импульса на патрубках и условие сохранения соотношения между статическими и динамическими составляющими (гипотеза):

;

,

а так как ,

то .

Так как ,

то .

Тогда . (2.6)

Следует отметить, что вторичной струи уменьшается с увеличением потерь импульса , так же уменьшается с увеличением присоединенной массы (эффект расходного сопла) и увеличивается с уменьшением температуры (эффект теплового сопла).

;

. (2.7)

2. Уравнение сохранения массы и уравнение состояния

.

Так как ,

то ,

откуда .

Умножив и разделив правую часть уравнения на и приняв, что , получим далее

;

.

Учитывая зависимость (2.6), получим

;

.

Из уравнения импульса для статической составляющей

выражаем . (2.8)

После алгебраических преобразований получим

; (2.9)

; (2.10)

. (2.11)

Таким образом по параметрам , , , , , , , , определяем параметры в начальном сечении вторичной струи: – зависимость (2.6), (2.9), (2.8), (2.11), (2.7), (2.10).

 

2.3.3. Система уравнений газодинамики для осредненных параметров вторичной (охлажденной) струи

Система уравнений газодинамики для осредненных параметров вторичной струи аналогична системе уравнений для основной струи. Исходные данные определяются по формулам (2.6)–(2.11) подраздела 2.3.2 и на основании условий

;

и .

Получаем:

;

;

;

;

.

При размещении патрубков в первой "бочке" диапазон - следует разделить на четыре участка, при размещении во второй "бочке" – делить на три участка, при размещении в третьей "бочке" – на два участка. Методика расчета была разработана впервые О.Н. Кудрявцевым. По данной методике можно рассчитать параметры струи, измененной воздействием одних патрубков за счет его сопротивления без подачи воды. Результаты расчета для анализа влияния патрубков приведены на рис.2.19, 2.20.

 

Рис.2.19. Структура течения струи за срезом патрубка

 

Рис.2.20.Графический анализ параметров течения за срезом патрубка (рассекателя) без ввода воды( , )

На графике видно значительное уменьшение и под воздействием патрубков.

 

Пример расчета охлажденной струи двигательной установки изделия ЭУ-15 при испытаниях на стенде 2 (НИИХИММАШ)

Состав исходных данных:

· расстояние от среза сопла до поверхности лотка стенда ;

· параметры на срезе сопла ; ; ; ; ; ;

– для , при этом ;

· условия подачи воды:

диаметр патрубков ;

количество патрубков – 4;

глубина погружения в струю ;

расстояние от среза сопла до среза патрубков ;

угол наклона ;

относительная площадь патрубков .

Выполняем расчет.

1. Определение дополнительных критериев струи

· критерий , ;

· в конечном сечении ;

· размеры первой "бочки" ударно-волновой структуры

;

· расстояние до точки падения скачка

.

Из следует, что патрубки погружены в максимальное сечение струи и потери будут минимальны.

2. Определяем коэффициент потерь импульса. В соответствии с разделом 2.3.1 получаем .

3. Расчет начальных параметров охлажденной струи:

· коэффициент скорости

;

· нерасчетность

;

· критерии и .

4. Расчет длины "бочек" и конечного сечения газодинамического участка:

;

;

.

5. Определение давления на преграду под углом 90° и 60°:

· при угле

,

где ,

;

· при угле давление на преграду

.

Проведенные при испытаниях измерения показали, что максимальные значения давлений не превышали величины .

2.3.4. Влияние подъема ракеты на характеристики вторичной струи

Особенности расчета параметров течения при старте определяются непрерывным перемещением патрубков относительно ударно-волновой структуры струи, истекающей из сопла.

При этом потери импульса периодически изменяются при переходе от одной "бочки" к другой. Пределы значений составляют потери в экстремальных сечениях первой "бочки" струи, а остальные значения укладываются приблизительно равномерно между ними.

Геометрические характеристики газодинамического участка вторичной струи (2) ниже патрубков определяются следующими формулами:

· длина отдельной структуры – "бочки"

;

· длина газодинамического участка при помещении патрубков в -й "бочке" ниже по течению

.

Потери импульса при размещении патрубков в экстремальных сечениях составят:

;

.

Для расчетов влияния перемещения струи путем линейного интерполирования можно определить промежуточное значение , соответствующее положению передней кромки патрубка относительно точки отражения скачков в "бочке".

Для кромки, помещенной между минимальным сечением и точкой отражения, то есть , потеря импульса составит

,

где – длина предшествующих "бочек", – длина рассматриваемой "бочки".

При положении патрубков за точкой отражения скачков, то есть потеря импульса будет

.

Последовательность графоаналитического метода расчета параметров вторичной струи включает следующие действия.

1. Определяются потери импульса при размещении патрубков в первой "бочке" при и при .

2. Строятся параболы при , и соответствующих функций давления (плотность, температура и т.д.) и вдоль оси струи.

Каждой параболе с сечениями ( и ), поделенной по высоте на 4 части (что соответствует четырем "бочкам" вторичной струи), отвечает пилообразное изменение давления (плотности и т.д.) и вдоль оси струи.

3. Переходу патрубка в последующие "бочки" при движении среза сопла соответствует ступенчатое изменение полного давления изоэнтропического торможения. Поэтому весь промежуток между сечениями ( и ) надо поделить на две части. Верхняя включает вторичные струи при минимальных потерях в пяти максимальных сечениях (1¢, 2¢, 3¢, 4¢, 5¢); нижняя – при максимальных потерях в четырех минимальных сечениях (1, 2, 3, 4); линия раздела между ними – в конечном сечении. Соответственно поделить каждую из половин на пять частей.

Сечения , … и "К" соответствуют начальным сечениям вторичных струй при прохождении сечений патрубков максимальными сечениями исходной струи 1¢, 2¢, … и "К", а сечения , … и "К" – вторичным струям за патрубками, попадающими в минимальные сечения исходной струи. Эти сечения являются опорами парабол полного давления вторичных струй.

Для определения величины оснований парабол необходимо учитывать потери скорости в "бочках" исходной струи. Для этого берутся предельные значения и , например, в первой "бочке" в точках 1 и 1¢ по соответствующим потерям импульса ( в точке и в точке ) и рассчитываются значения скорости в начальных сечениях и .

В точке будет , в точке – и т.д.

Формулы для определения скорости в начальных сечениях даны в таблице 2.2.

4. Каждому основанию ( , ,… , , – ,… ) соответствует диапазон давлений , ,… , , ,… . На эти основания спроектированы сечения парабол ( , ,… , , – ,… ), за которыми находится часть вторичной струи ниже патрубков. Проекции этих сечений на графики давления дает предельные значения давления во вторичной струе ниже патрубков. Расчет проводится в интервале скоростей, предельные значения которого рассчитываются по формулам таблицы.

 

Дата добавления: 2019-09-30; просмотров: 646;

Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2024 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей.
Генерация страницы за: 0.035 сек.