Расчет форсунок

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 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= ;

α1 - коэффициент избытка окислителя, α1=2.2;

ψ1 - коэффициент избытка разбавителя, ψ1=10;

α2 - коэффициент избытка вторичного горючего (37),

,

где (3) γ1 - коэффициент избытка вторичного горючего в резонаторе из рисунка 23, γ1=0.95 Найдем суммарный расход топливной смеси (4):

кг/с,

где (4) Pr - мощность необходимая для решения поставленной задачи, Pr=415000 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_Σ - удельная мощность излучения с суммарного расхода топливной смеси,  кг/с;

Массовый расход топливной смеси через ГАФ (5):

кг/с,

где (5) m_Σ - суммарный расход топливной смеси;

α1 - коэффициент избытка окислителя;

ψ1 - коэффициент избытка разбавителя;

α2 - коэффициент избытка вторичного горючего.

Расход отдельных компонентов:

Расход водорода (6):

кг/с,

Где (6) mgaf - массовый расход топливной смеси через ГАФ;

α1 - коэффициент избытка окислителя;

ψ1 - коэффициент избытка разбавителя.

Расход фтора (7):

кг/с,

где (7) mH2 - расход водорода;

α1 - коэффициент избытка окислителя.

Расход гелия(8):

кг/с,

где (8) mH2 - расход водорода;

α1 - коэффициент избытка окислителя;

ψ1 - коэффициент избытка разбавителя.

Расход дейтерия(9):

кг/с,

где (9) mH2 - расход водорода,  кг/с;

α1 - коэффициент избытка окислителя, α1=2.2;

α2 - коэффициент избытка вторичного горючего, α2=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 ΔP=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;

Ws- удельная 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;

Hf- высота 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):

τt - условное время пребывания реагирующих в КС компонентов;_gaf - массовый расход топлива через ГАФr - универсальная газовая постоянная, 8.314 Дж/(кг∙моль);_k - температура смеси в КС, T_k = 1593 К (из термодинамических расчетов);

μ - молярная масса смеси, μ = 0.0092 кг/моль (из термодинамических расчетов);_k1 - давление в КС, P_k1 = 10⁵ Па.

Длина камеры сгорания(13):

м, где (13)

_k - объем КС, м³;

Hf - высота форсуночной головки;- ширина форсуночной головки.

.3 Расчет форсунок для подачи компонентов

Для подачи компонентов в КС целесообразно использовать струйные форсунки. Перепад давлений в таких форсунках выбирается в пределах ΔP=2-5 кг/см² [1,2].

Рисунок 1. Однокомпонентная газовая форсунка

Форсунки для подачи водорода:

Определим режим истечения: примем значение перепада давления в форсунках ΔP =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;_Ф - давление в форсунке, P_Ф=3 кг/см²;_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;

φ₁ - коэффициент расхода, учитывающий сужение струи и уменьшение действительной скорости течения в реальной форсунке, φ₁=0.8;_Ф - давление в форсунке, P_Ф=3 кг/см²;_p - показатель адиабаты, из термодинамического расчета k_p=1.49;

Т _вх- температура водорода, Т _вх =300К;r - универсальная газовая постоянная, 8.314 Дж/(кг∙моль);

μH2 - молярная масса смеси, μH2 = 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;

φ₁ - коэффициент расхода, учитывающий сужение струи и уменьшение действительной скорости течения в реальной форсунке, φ₁=0.8;_Ф - давление в форсунке, P_Ф=3 кг/см²;_p - показатель адиабаты, из термодинамического расчета k_p=1.49;

Т _вх- температура водорода, Т _вх =300К;r - универсальная газовая постоянная, 8.314 Дж/(кг∙моль);

μF2 - молярная масса смеси, μF2 = 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;

φ₁ - коэффициент расхода, учитывающий сужение струи и уменьшение действительной скорости течения в реальной форсунке, φ₁=0.8;_Ф - давление в форсунке, P_Ф=3 кг/см²;_p - показатель адиабаты, из термодинамического расчета k_p=1.49;

Т _вх- температура водорода, Т _вх =300К;r - универсальная газовая постоянная, 8.314 Дж/(кг∙моль);

μH2 - молярная масса смеси, μH2 = 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;

lш- шаг 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;

φ₁ - коэффициент расхода, учитывающий сужение струи и уменьшение действительной скорости течения в реальной форсунке, φ₁=0.8;_Ф - давление в форсунке, P_Ф=3 кг/см²;_p1 - показатель адиабаты, из термодинамического расчета k_p1=1.55;

Т _вх- температура водорода, Т _вх =300К;r - универсальная газовая постоянная, 8.314 Дж/(кг∙моль);

μD2 - молярная масса смеси, μD2 = 0.004 кг/моль (из термодинамических расчетов);

Найдем диаметр проходного отверстия форсунки(27):

 м (27)

м,

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

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

 см,

где (29) ΔL_отв - шаг отверстий в трубке, ΔL_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;

φ₁ - коэффициент расхода, учитывающий сужение струи и уменьшение действительной скорости течения в реальной форсунке, φ₁=0.8;_Ф - давление в форсунке, P_Ф=3 кг/см²;_p1 - показатель адиабаты, из термодинамического расчета k_p1=1.55;

Т _вх- температура водорода, Т _вх =300К;r - универсальная газовая постоянная, 8.314 Дж/(кг∙моль);

μD2 - молярная масса смеси, μD2 = 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

Список литературы

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.

. 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.