Основные теоретические положения. Форсунка - устройство, предназначенное для впрыска компонен­та топлива в камеру сгорания, распыливания и его первоначального расп­ределения в пространстве

Форсунка - устройство, предназначенное для впрыска компонен­та топлива в камеру сгорания, распыливания и его первоначального расп­ределения в пространстве камеры. Все многообразие схем форсу­нок, применяемых в ДВС и ВРД составлено из двух основных типов: струйных и центробежных.

Струйная форсунка представляет собой отверстие в стенке (рис.1,3а), либо трубку или насадок произвольного сечения (рис.3б). Ос­новными геометрическими параметрами струйной форсунки является диаметр сопла d_с, длина канала l и форма кромки канала со стороны входа жидкости: острая (рис.1а) или притуплённая (рис.За).

Рисунок 1.Схема струйной форсунки

Рисунок 2. Сема течения в струйной форсунке.

Рисунок 3. Геометрические параметры струйной форсунки.

Пространство перед форсункой имеет обычно размеры превосходящие размеры форсунки, поэтому жидкость втекает в канал форсунки не только в направлении оси канала (рис.2а). Чтобы все струйки в коне­чном итоге получили это направление, те из них, что втекают вдоль стенки, должны развернуться на 90°. Если радиус кривизны входной кромки мал или равен нулю (острая кромка), то при ее безотрывном обтекании в пограничной линии тока должны развиваться бесконечно большие скорости.

Это невозможно по двум причинам. Во-первых, запас потенциаль­ной энергии давления, который может быть преобразован в скоростной напор в любой линии тока ограничен и измеряется как Здесь - давление торможения в полости до форсунки, - дав­ление в среде, куда происходит истечение (в камере сгорания). Во-вторых, при бесконечно большой скорости в соответствии с уравнением Бернулли давление в потоке становится бесконечно малым.

В области, где резко понижается давление, нарушается сплошность потока - образуется каверна, заполненная парами жидкости.

Соответственно давление устанавливается не ниже давления на­сыщенных паров.

В связи с этим при обтекании острой кромки пограничная линия тока не совпадает с твердой стенкой. Поток отрывается от нее и образуется входная каверна. Радиус кривизны жидкой стенки этой каверны зависит от скорости в пограничной линии тока, т.е. от запаса энергии в потоке . При малом радиус кривизны мал и выходное сечение полностью заполняется потоком (рис.2а). Это - безотрывный режим истечения.

С увеличением радиус кривизны растет (рис.2б) и может уве­личиться настолько, что при ограниченной величине lнаступит мо­мент, когда жидкая граница каверны вниз по потоку не совместится вновь с ее твердой стенкой. В результате струя жидкости будет вытекать из форсунки, не касаясь стенок ее сопла (рис. 2в). Это так называемый отрывной режим истечения. Смена режимов истечения происходит скачком при достижении необходимого перепада давления . Положительным свойством отрывного режима является его устойчивость в сравнении с безотрывным. Но в этом режиме проход­ное сечение форсунки используется не полностью, что снижает рас­ход компонента в отличие от безотрывного режима при прочих равных условиях. Отдалить по момент отрыва потока от стенок можно либо скругляя входные кромки (рис.За), либо кроме того увеличи­вая длину канала форсунки (рис.3б).

При большом радиусе округления входных кромок отрыва потока от стенок не произойдет даже при очень больших величинах .Однако конструктивно такой канал можно выполнить далеко не всегда. Поэтому при использовании струйных форсунок прежде всего следует учитывать режим их работы.

Струя, вытекающая из этих форсунок, компактна, угол ее рас­ширения не превышает 10-15°. Велика дальнобойность струи. Дробле­ние ее на капли при отсутствии возмущений в среде происходит только за счет собственной внутренней неустойчивости и на значи­тельном удалении от среза сопла форсунки. Чтобы обеспечить необ­ходимое качество распыливания, следует использовать соударение струй компонентов топлива. Струйные форсунки без соударения струй могут быть использованы лишь для низкокипящих компонентов (жидкие кислород, водород, фтор и т.п.), когда качество распыла не имеет особого значения.

При применении струйных форсунок обычно обеспечивают их работу на одном запланированном режиме истечения. Если струи компонентов в камере сгорания не пересекаются, то лучше обеспе­чить безотрывный режим работы, а при пересекающихся струях - отрывной.

Рисунок 4. Сема течения в центробежной форсунке.

Внутрь центробежной форсунки (рис.4) жидкость попадает по каналам, расположенным тангенциально к камере закручивания. Вследствие этого входная скорость имеет окружную составляющую . Таким образом, в центробежной форсунке в отличие от струйной движение жидкости трехмерное: жидкость со скоростью (радиальная составляющая) заполняет полость форсунки, со скоростью вращается вокруг оси и со скоростью (осевая составляющая) поступательно движется и срезу сопла форсунки.

Наличие определяет основные особенности течения в цен­тробежной форсунке. В начале камеры закручивания для единицы массы жидкости имеют место соотношения:

и ,

где - начальный момент количества движения жидкости (на входе в форсунку); - начальная энергия единицы массы жидкости; - давление во входных каналах.

При перемещении этого элемента жидкости внутрь форсунки ближе к ее оси будут иметь место соотношения:

и ,

где - соответственно момент количества движения и энергия единицы массы жидкости, а также давление в потоке на расстоянии r от оси форсунки. - соответственно окружная, радиальная и осевая составляющие скорости потока на том же радиусе.

Если считать жидкость идеальной (невязкой и несжимаемой) и пренебречь разностью уровней в положении частиц жидкости вну­три форсунки, то для одного и того же элемента уравнения сохранения момента количества движения и энергии можно записать как и , т.е.

и .

Из этих уравнений следует, что по мере приближения к оси форсунки окружная скорость возрастает, а давление соответственно уменьшается. Если положить , то получим , а . Очевидно, что это не соответствует действительности.

Значительное снижение давления приводит,как и в случае образования каверны в струйной форсунке,к нарушению сплошности потока. Практически давление в потоке уменьшается по мере прибли­жения к оси форсунки до давления среды , в которую происхо­дит истечение. Центральная часть (приосевая) оказывается свобод­ной от жидкости, она заполнена веществом среды, в которую про­исходит истечение, и давление в ней равно р_к. Радиус этой приосевой зоны зависит от соотношения окружной и осевой составляю­щих (радиальной составляющей ввиду ее малости обычно пренебре­гают). Причем, чем больше отношение , тем больше этот радиус.

Следовательно, жидкость покидает центробежную форсунку в виде концентрической пелены. При выходе из сопла под действием центробежных сил частицы жидкости движутся по инерции по прямым линиям, образуя поверхность усеченного однополостного гиперболо­ида вращения. Так как диаметр обычно невелик, то этот гиперболоид практически считается конусом с углом при вершине. Толщина конусной пелены жидкости по мере удаления от форсунки быст­ро уменьшается, пелена разрывается и под воздействием сопротив­ления окружающей среды очень хорошо распадается на капли.

Большая величина , самопроизвольное и хорошее дробление пелены на капли в непосредственной близости от среза сопла явля­ются положительными свойствами центробежных форсунок. Отрицатель­ным является то, что жидкость не заполняет полностью сечение сопла, а занимает только кольцевую периферийную его часть. Это существенно снижает возможный расход компонента через форсунку при ограниченном .

Работу форсунки характеризуют следующие параметры:

1. Массовый расход жидкости через форсунку в единицу времени,

2. Перепад давления на форсунке,

3. Угол конуса распыла , измеряемый у среза сопла форсунки.

4. Равномерность плотности орошения - равномерность распреде­ления расхода жидкости в факеле распыла.

5. Мелкость распыла - величина среднего диаметра капель жидко­сти, получающихся при распыливании.

6. Однородность распыла - диапазон изменения размеров капель
в факеле распыленного топлива.

7. Дальнобойность факела - глубина проникновения распыленного
топлива в газовую среду.

В условиях предприятий, разрабатывающих и изготавливающих двигатели, проверка параметров по пп.3-7 производится выборочно лишь при проектировании и доводке форсунок. Наиболее тщательно­му контролю и доводке форсунки подвергаются по пп.1-2. Основной характеристикой форсунки является ее расходная характеристика - зависимость расхода жидкости через форсунку от перепада давления на ней . Поэтому в данной работе этой характеристике уделяется основное внимание.