Экспериментальное исследование газожидкостной форсунки с компланарными каналами

С возрастанием цен на нефть становится все более актуальной задача повышения полноты сгорания углеводородного топлива и, следовательно, улучшение экономических показателей тепловых двигателей и камер сгорания различного назначения. Увеличение полноты сгорания способствует экономии топлива и улучшению экологической ситуации.

В настоящее время хорошо известны различные типы струйных, центробежных одно- и двухкомпонентных форсунок [1]. Каждая форсунка имеет свои преимущества, недостатки и область применения. Постоянное стремление улучшить полноту сгорания топлива при малых перепадах на форсунке заставляют конструкторов разрабатывать новые и модернизировать известные типы форсунок, например с компланарными каналами [2]. Известно, что тракты с компланарными каналами интенсифицируют теплоотдачу за счет взаимной подкрутки струй, турбулизации потока даже при малых числах Рейнольдса [3,4]. Данных о применении их в газожидкостных форсунках внутреннего смешения практически нет, хотя высокая турбулизация потока, даже при малых скоростях движения топлива в компланарных каналах, способствует интенсивному смешению компонентов.

2.    ГИдРАВлИЧеСкИе ИСПытАнИя

Исследования проводились на 6 экспериментальных моделях с углами взаимного пересечения каналов 60°, 90°, 110° и числом парных каналов N 6, 10 и 17. Компланарные каналы были симметричными. Влияние ассиметрии каналов на коэффициент гидравлического сопротивления не исследовалось. Число Рейнольдса изменялось от 10³ до 10⁵.

Экспериментальные исследования (теневым методом и методом фотографирования) показали, что угол факела распыла форсунки 2α зависит только от угла взаимного пересечения каналов 2β (наблюдалось приблизительное равенство этих углов). Исключение составили перепады давления на форсунке ΔΡ<0,01 МПа, при которых факел прилипает к торцу форсунки (2α~180°). Причина — сильные обратные токи и малая величина осевой составляющей скорости истечения.

Экспериментально была определена минимальная длина компланарных каналов, при которой на выходе форсунки поток имеет полностью сформировавшуюся вихревую структуру. Для этого по длине компланарного тракта вихревых форсунок были установлены отборники давления диаметром 0,5 мм, соединенные с водяным дифференциальным манометром. В каждой экспериментальной модели было установлено 5 отборников давления.

Установлено, что протяженность начального участка, после которого имеет место установившийся вихревой поток, равна 2,5—3 поясам взаимного пересечения каналов. После прохождения этого участка газожидкостной поток полностью формируется и коэффициент гидравлического сопротивления практически не меняется. Дальнейшее увеличение длины компланарных каналов приводит только к увеличению гидравлических потерь без какого-либо изменения структуры вихревого потока.

В результате обработки и обобщения экспериментальных данных была получена эмпирическая формула для определения коэффициента гидравлического сопротивления в компланарных каналах вихревой газожидкостной форсунки ξ=1,44-0,034 ln Re+3.39 (2β).

Погрешность аппроксимации составляет не более 3%. Как видно из формулы, на коэффициент гидравлического сопротивления влияют число Рейнольдса и угол 2β. Влияние числа каналов N учитывается числом Рейнольдса. С увеличением Re коэффициент гидравлического сопротивления уменьшается, а при увеличении 2β растет. При постоянном числе Рейнольдса с увеличением N наблюдается уменьшение ξ.

Обработка экспериментальных данных проводилась по описанной в специальной литературе методике [3]. Коэффициент гидравлического сопротивления определялся как

ξ = (2dΔΡί) / (ΔΧίρW2), где d — эквивалентный гидравлический диаметр канала; ΔΡί — перепад давления на ί-ом мерном участке; ΔΧί — расстояние между отборниками давления; ρ — плотность газожидкостной смеси; W — скорость течения смеси.

Число Рейнольдса определялось по формуле

Re=md/Fμ, где m — суммарный секундный расход газожидкостной смеси; F — площадь проходного сечения форсунки; μ — коэффициент динамической вязкости смеси.

Плотность и вязкость смеси определялись по [5]. Плотность газожидкостной смеси определялась по формуле:

ρ = χρж+(1-χ)ρг, где ρж, ρг — плотность жидкости и газа, соответственно; χ=mж/mг — массовое содержание жидкости в смеси.

Динамическая вязкость смеси определялась как

μ=χμж + (1-χ) μг, где μж, μг — коэффициенты динамической вязкости жидкости и газа, соответственно.

Эксперименты показали, что с увеличением перепада давления на форсунке расход смеси увеличивается. С увеличением угла 2β и при постоянном расходе топлива увеличивается перепад давления на форсунке. С увеличением числа каналов N (при постоянном расходе) необходимый перепад давления уменьшается.

Путем обощения экспериментальных данных для вихревых форсунок и использования известных из гидрогазодинамики зависимостей была получена эмпирическая формула для расчета коэффициента расхода:

μф = 1/[2,444-0.034 ln Re+3,39(2β)]0,5 , где угол β — в радианах.

Расход через форсунку можно определить по формуле:

m = μ_ф· F ·(2Δ Ρ ρ)^0,5 .

Экспериментально установлено, что вихревые форсунки с компланарными каналами устойчиво работают при малых перепадах давления Δ Ρ >0,01MΠa. Вихревая форсунка является малоперепадной с высоким коэффициентом расхода. При постоянном числе Рейнольдса коэффициент расхода увеличивается с уменьшением угла 2β. Так, для Re=400 при угле 2β=60° коэффициент μф = 0.4, при 2β=90°–μф=0.37, при 2β=110°– μ_ф=0.33.

Для сравнения эффективности вихревой форсунки параллельно была испытана штатная центробежная газожидкостная форсунка. При одном и том же перепаде давления на форсунках коэффициенты расхода у центробежной форсунки были по трактам жидкости μф=0.24...0.28, газа μф=0.11...0.12. Эти результаты указывают на высокую эффективность форсунки с компланарными каналами по сравнению с форсунками, применяемыми в настоящее время.

3.    РеЗулЬтАты теРМОдИнАМИЧеСкИх ИССледОВАнИЙ

Для проведения термодинамических исследований использовалась установка, позволяющая измерять расходы горючего и окислителя, давление в камере сгорания, перепады давления по трактам горючего и окислителя, тягу двигателя, а также разность температур воды на входе и выходе из охлаждающего тракта. Погрешности измерения расходов горючего и окислителя не превышали 1,5% и 3% соответственно, давлений — 3%, тяги двигателя — 10%, разности температур — 5%.

Экспериментальное значение расходного комплекса определялось по формуле:

ВЭ= Р, Fкр/m., где mL=ток+тг — суммарный расход, рк — давление в камере сгорания, Fкр — площадь критического сечения камеры.

Теоретическое значение расходного комплекса определялось термодинамическим расчетом с учетом потерь на водяное охлаждение двигателя. Коэффициент фв определялся по зависимости:

Ф₆ =В э / В т .

Огневые испытания вихревой форсунки с компланарными каналами подтвердили ее высокую эффективность.

Экспериментальные исследования показали, что число парных каналов N и угол их взаимного пересечения оказывают существенное влияние на качество рабочего процесса экспериментального двигателя. Так, при Кm= 1 и увеличении угла 2β с 60° до 110° при постоянном числе парных каналов N=10 значение расходного комплекса увеличилось с 1440 до 1570 м/с, а коэффициента камеры с 0,88 до 0,96. Однако при угле взаимного пересечения каналов 2β=110° наблюдалось термическое разрушение форсунок — следствие уменьшения осевой составляющей скорости истечения и интенсивных обратных токов. Поэтому оптимальным, с точки зрения безопасной работы и получения высоких удельных параметров, признан угол взаимного пересечения каналов 2β =90°.

Однозначное влияние на качество рабочего процесса в камере сгорания двигателя оказывает и число парных каналов. Так, при увеличении числа каналов с 6 до 17 при постоянном угле 2β = 60°, значение расходного комплекса возросло с 1440 до 1660 м/с, а коэффициента камеры — с 0,88 до 0,99. Это связано с улучшением равномерности распределения компонентов по сечению камеры сгорания. Поэтому при прочих равных условиях необходимо выбирать максимально возможное число парных каналов.

Результаты исследования двухкомпонентной центробежной форсунки показали, что при тех же начальных условиях коэффициент камеры не превышает 0,82.

4.    ЗАклЮЧенИе

Получены зависимости для определения коэффициента гидравлического сопротивления и коэффициента расхода газожидкостной форсунки. Определено влияние угла взаимного пересечения каналов и их числа в форсунке на величину расходного комплекса и полноту сгорания топлива. На основе полученных экспериментальных данных создана методика расчета форсунок с компланарными каналами.

СПИСОк ОбОЗнАЧенИЙ dэкв — эквивалентный гидравлический диаметр, м;

• w — скорость, м/с;

μ ф — коэффициент расхода форсунки;

ν — коэффициент кинематической вязкости, м2/с;

ρ — плотность, кг/м3;

ξ — коэффициент гидравлического сопро тивления;

Re = w • d ^кв /v — число Рейнольдса;

К m — соотношение компонентов.

Индексы ф — форсунка;

Г — горючее;

ок — окислитель.