4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
2.3.2. Sự phân rã của dòng nhiên liệu phun và kích thước giọt nhiên liệu
D òng nhiên liệu được phun ra khỏi vòi phun lỗ đơn, các phân tử nhiên liệu một số chuyển động theo dòng, một số khác chuyển động theo phương ngang. Sự phân rã dòng nhiên liệu theo vòi phun được trình bày trên hình 2.2. Dải nhiên liệu phun chuyến động với quỹ đạo hình sin. Khi nào biên độ dao động đạt được giá trị tới hạn thì dải nhiên liệu bị xé rách tại những điếm lồi lõm, bị vỡ ra thành các phân rải có chiều dài bằng nửa độ dài bước sóng Ẳ / 2 . Sau đó bị co lại bởi ứng lực bề mặt và chuyển thành sợi, các sợi nhiên liệu
Gọi q = — là tốc độ gia tăng biên độ dao động của dòng khí, từ phương
õt
này lại bị tác động bởi các sóng lan truyền theo phương ngang rồi bị bẻ vụn, vỡ ra và hình thành các giọt nhiên liệu .
m ' 0 o o ° o o o o o o o o o
Tac dộng tong gia táng cùa dò!ÍỊỊ khi vứu dài n hitn líéu
Phún rá thanh Phứit rã thánh tỉinh thánh gioi
phán dải tơi vá dứt ỊỊđy nhiin liều
Hình 2.2. Sự phân rã của dải nhiên liệu phun dưới tác động của dòng khỉ không ốn định trong buồng tạo hôn hợp buồng đốt tăng lực
Đe tính toán kích thước giọt nhiên liệu có thể xem sợi phân dải nhiên liệu tương đương với sợi dạng hình trụ đường kính Dx. Gọi bề rộng phân dải là lz, bề dày là h (như hình 2.2). Khi đó khối lượng nhiên liệu chứa trong thể tích sợi hình trụ là:
Ớ đây V z là thế tích phân dải nhiên liệu, Dz là đường kính sợi phân dải nhiên liệu.
Lượng nhiên liệu này cũng là lượng nhiên liệu chứa trong phần thể tích thực của phân dải xác định theo các kích thước nửa chiều dài bước sóng và bề dày h tại thời điểm bẻ gãy:
Theo phương trình cân bằng khối lượng, từ (2.3.1.1) và (2.3.1.2) nhận được: (2.3.2.1)
p .r ĩ f - l = p „ r ị l i l (2.3.2.3) TT r^ 2 4/ỉ. , 4/ỉ 4/2 Hay D) = — ./ỉ = — = — 2/r 2zr / /1 /7 N hận được: D = ,/— (2.3.2.4) \ n
Giá trị h và n được xác định từ phương trình (2.3.1.28). Trong trường hợp đơn giản, bỏ qua tính nhớt của nhiên liệu jU = 0 , từ phương trình
(2.31.28) nhận được:
2.p.n.v? - l.ơ.n2 - p nị.h.q2 = 0
Do đó q = h~' \ — ( p . w \ n - ơ . n 1) (2.3.2.5)
\ p , i
N eu ỊẦ* 0 tức là kế đến tính nhớt của nhiên liệu thì giải phương trình
(2.3.1.28) với đầy đủ các thành phần lực, mối quan hệ giữa mức gia tăng biên độ f và số sóng n trong trường hợp không tính đến nhớt và tính đến nhớt được trình bày trên hình 2.3:
n
o n
Hình 2.3. Mối quan hệ giữa tốc độ gia tăng biên độ và số sóng của chất lỏng nhớt và không nhớt
N hận thấy ở miền số sóng nhỏ (0 < n < ri]) mối quan hệ của mức gia tăng biên độ f với số sóng n của dòng khí tác động vào dải nhiên liệu nhớt và không nhớt là như nhau, hiệu quả nhớt chỉ phát huy khi số sóng n có giá trị lớn (n > r»!). Miền có số sóng nhỏ là miền sóng nhiễu khí động lan truyền theo dòng khí. Trong miền này vai trò tác động của nhiễu với dòng nhiên liệu không phụ thuộc vào tính nhớt. Điều đó cho phép đơn giản hóa việc tính toán kích thước giọt nhiên liệu theo điều kiện không nhớt khi nghiên cún dòng nhiên liệu trong dòng khí của buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực.
Lấy tích phân phương trình (2.3.2.5) nhận được:
Lấy đạo hàm phương trình (2.3.2.6) theo biến số n và cho bằng 0 sẽ được mức tăng cực đại của biên độ theo n:
n = e E L (2 3 .2 .1 )
2 ơ
Thay n vào phương trình (2.3.2.5) nhận được giá trị tốc độ gia tăng biên
độ lớn nhất: (2.3.2.8)
Đ ồng thời thay n từ phương trình (2.3.2.7) vào phương trình (2.3.2.6) ta được:
Đe đặc trung cho độ dày dải nhiên liệu thường sử dụng giá trị k = ht, với t là thời gian tính từ thời điểm nhiên liệu được phun ra từ vòi phun. Ngoài ra còn sử dụng thông số độ dày K = hx với X là tọa độ ở một điểm bất kì của dải nhiên liệu. Thay h = k/t vào phương trình (2.3.2.9) nhận được:
2_ p W Ị t _ (2 3 2.10)
3 7 1 ^ 1
Thay t = k/h vào phương trình (2.3.2.10) nhận được:
2 p w ụ 2 k p w i 2 k . p w Ị ,
3 J 2 p nrơ .h 3 h . p . p „ . ơ h 3 J 2 . p tl, .ơ h '
Rút h từ phương trình (2.3.2.11) nhận được:
Thay n và h tù' các phương trình (23.2.1), (2.3.2.12) vào phương trình (2.3.2.4) nhận được:
f = ẸÉL \h-'ndt (2.3.2.9)
D = 2
9pp,tlf 2K
(2.3.2.13)
•V /
Tại thời điểm phân rã đối với nhiên liệu, mức gia tăng biên độ f có giá trị không đối là f = 12. Thay k và f vào phương trình (2.3.2.13) nhận được:
D . = 2 f o>JC> '
81 -ppniw :
(2.3.2.14)
Giai đoạn cuối của sự phân rã dải nhiên liệu, giọt nhiên liệu được hình thành, đường kính giọt Dgđược xác định:
D , = ị ị — Dl (2.3.2.15)
n
Thay Dz từ phương trình (2.3.2.14) vào phương trình (2.3.2.15) ta được đường kính giọt lớn nhất:
D = ỉ\6tĩị 16<T3&2 ^
{ 9 p ậP , J 2K ;
(2.3.2.16)
Thay f = 12 và k = K/Vx vào phương trình (2.3.2.16) nhận được:
' o>K' v '
D. \6t ĩ 1
w ạia: \, 3 P4P n, K
(2.3.2.17)
Phương trình (2.3.2.17) xác định đường kính giọt nhiên liệu bị phân rã dưới tác động của dòng khí không ổn định trong buồng tạo hỗn họp buồng đốt
2.3.3. Tính kích thước giọt nhiên liệu trong buồng tạo hỗn họp buồng đốt tăng lực động cơ P25.300
Theo các số liệu kỹ thuật, động cơ P25.300 có vòi phun với đường kính dyp = 1,5 mm; áp suất phun p = 40 kg/cm 2 . Đường kính giọt nhiên liệu lớn nhất được hình thành dưới tác động của dòng khí mất ổn định trong buồng tạo hỗn hợp xác định theo công thức (2.3.2.17) là Dg = 1,3133.10'4m = 131,3 //777 .
Trong môi trường dòng khí ổn định, công thức tính đường kính giọt nhiên liệu có dạng:
ở đây Dg o (m) là đường kính giọt trung bình khi phun vào dòng khí ổn định; rVp (m) là bán kính vòi phun; p (N /m 2) là áp suất phun.
Đ ường kính giọt trung bình tính theo công thức trên là:
Dg o = 1,8527.10'4 m = 185,27 um .
, ' A . 131 3
Đê so sánh ta lập các tỷ sô: —— = — .100% = 70,8%
Dptg.o 185,279
2.4. K ết luận chưong 2
Phương pháp tăng lực cho động cơ bằng cách bố trí buồng đốt tăng lực
sau turbine là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất trong các loại động cơ turbine phản lực. Đó là việc đốt bổ sung nhiên liệu sau turbine nhằm tăng thêm lực đẩy cho động cơ khi buồng đốt chính đã làm việc hết công suất. Tuy nhiên do dòng khí chảy vào buồng đốt tăng lực đã cháy một lần trong buồng đốt chính nên lượng ôxy không còn nhiều, gây khó khăn cho việc đốt cháy hoàn toàn, cháy ốn định và làm việc tin cậy trong mọi điều kiện bay. Đe đạt
được quá trình cháy ốn định với năng suất, hiệu suất cao đòi hỏi quá trình phun và hòa trộn nhiên liệu với dòng khí trong buồng tạo hỗn họp phải tạo được hỗn hợp cháy lý tưởng với giá trị hệ số không khí dư a thích hợp từ
1,1-ỉ-1,5 . Tăng cường quá trình tạo hỗn hợp cháy cho buồng đốt tăng lực được
nghiên cứu cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm. Bằng thực nghiệm đã tạo ra buồng đốt tăng lực hoàn chỉnh ở một chế độ cháy xác lập, khi thay đổi chế độ làm việc vẫn còn xuất hiện sự cháy không ốn định.
Với quan niệm sự không ổn định của dòng khí tăng cường trao đổi nhiệt khối trong dòng đã giải được việc hình thành giọt nhiên liệu từ vòi phun lỗ đơn trong buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực.
Dòng khí không ốn định tác động mạnh hơn so với dòng khí ốn định đế làm phân rã dải nhiên liệu. Dòng khí không ốn định trong buồng tạo hỗn hợp tạo giọt nhiên liệu có kích thước nhỏ hơn, chỉ bằng 70,8% so với trường hợp dòng khí ổn định, làm tăng nhanh khả năng bay hơi, nâng cao chất lượng tạo hỗn hợp trong buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực.
PHẦN KÉT LUẬN
K hóa luận tìm hiếu mô hình cấu trúc buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực có dạng cấu trúc ống V enturi có tiết lưu đầu vào và tiết lưu đầu ra, nhận thấy với mô hình này việc giải bài toán về tính ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp đơn giản hơn. Giải pháp tối ưu cho đến thời điểm hiện nay để nâng cao tính ổn định của dòng khí trong buồng tạo hỗn hợp là thay đổi góc mở rộng dần trong phần mở rộng dần của buồng tạo hỗn hợp từ đó làm thay đối cấu trúc dòng chảy trong buồng tạo hỗn hợp buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực. D òng khí tạo ra sẽ là dòng không ổn định góp phần thúc đẩy nhanh sự phân rã và bay hơi của nhiên liệu phun và tạo hỗn hợp cháy tốt hơn. N hiên liệu phun ra trong môi trường dòng khí không ốn định có kích thước giọt nhỏ hơn kích thước giọt nhiên liệu nhận được khi phun trong môi trường dòng khí ổn định.
N hằm tăng cường quá trình tạo hỗn hợp đảm bảo ổn định cháy và nâng cao hiệu suất cháy trong buồng đốt tăng lực động cơ turbine phản lực cần thiết kế phần mở rộng của buồng tạo hỗn hợp có góc mở /? = Pxd +(1-5-2)" trên
cơ sở tạo ra dòng khí chảy trong buồng là dòng không ổn định nhưng không hình thành luồng phụt, không tồn tại sự đứt dòng, đảm bảo khả năng phục hồi áp suất cao khi thực hiện hãm dòng trong buồng tạo hỗn hợp.