Истечение через насадки

Внешним цилиндрическим насадком называется короткая труб­ка длиной, равной нескольким диаметрам [ l =(2—6)d] без закруг­ления входной кромки (рис. 95, а). На практике такой насадок часто получается в тех случаях, когда делают сверление в тол­стой стенке и не обрабатывают входную кромку (рис. 95,6).

При истечении через такой насадок в газовую среду могут на­блюдаться два режима истечения. Схема течения, соответствую­щая первому режиму, показана на рис. 95, а и б. Струя при входе в насадок сжимается примерно так же и по той же причине, что и при истечении через отверстие в тонкой стенке. Затем, вслед­ствие того, что сжатая часть струи окружена завихренной жидко­стью, струя постепенно расширяется до размеров отверстия и из насадка выходит полным сечением.

Так как на выходе из насадка диаметр струи равен диаметру отверстия, то e=1 и, следовательно, m=j.

Коэффициент расхода внешнего цилиндрического насадка на первом режиме истечения зависит от относительной длины насадка l/d и числа Re.

Сравнение с отверстием в тонкой стенке показывает, что при истечении через цилиндрический насадок (первый режим) расход получается больше, чем при истечении через отверстие вследствие отсутствия сжатия струи на выходе из насадка; скорость же ока­зывается меньше из-за значительно большего сопротивления.

При некотором критическом напоре происходит смена режимов течения.

Второй режим истечения характеризуется тем, что струя после сжатия уже не расширяется, а сохраняет цилиндрическую форму и пролетает внутри насадка, не соприкасаясь с его стенками. Ис­течение делается точно таким же, как и из отверстия в тонкой стенке с теми же значениями коэффициентов истечения. Следова­тельно, при переходе от первого режима истечения ко второму скорость возрастает, а расход уменьшается благодаря сжатию струи.

Если через описанный насадок происходит истечение воды в ат­мосферу, то

В том случае, когда давление насыщенных паров истекающей жидкости p_t соизмеримо с давлением среды р ₂ в которую проис­ходит истечение:

При истечении через цилиндрический насадок под уровень пер­вый режим истечения не будет отличаться от описанного выше. Но когда абсолютное давление внутри насадка вследствие увеличения Н падает до давления насыщенных паров, начинается кавитационный режим истечения, при котором расход перестает зависеть от давления p ₂, т. е. получается эффект стабилизации расхода.

Таким образом, внешний цилиндрический насадок обладает су­щественными недостатками: на первом режиме — большое сопро­тивление и недостаточно высокий коэффициент расхода, а на вто­ром — очень низкий коэффициент расхода.

При использовании цилиндрического насадка (сверления в тол­стой стенке), например, в качестве жиклеров, дросселей или фор­сунок (см. пример) следует учитывать эти недостатки. Данный на­садок может быть значительно улучшен, путем закругления вход­ной кромки (см. пунктир на рис. 95, б). Чем больше сделать закругление, тем больше будет коэффициент расхода и меньше ко­эффициент сопротивления. В пределе при радиусе кривизны, равном толщине стенки, цилиндрический насадок приближается к так называемому коноидальному насадку, или соплу.

Коноидальный насадок или сопло (рис. 97) очерчивается при­близительно по форме естественно сжимающейся струи и благо­даря этому обеспечивает безотрывность течения внутри насадка и параллельность струй в выходном сечении. Это весьма употреби­тельный насадок, так как он имеет коэффициент расхода, близкий к единице, очень малые потери, коэффициент сжатия e=1, и устой­чивый режим истечения без кавитации.

Диффузорный насадок представляет собой комбинацию сопла и диффузора (рис. 98). Приставка диффузора к соплу влечет за собой снижение давления в узком месте насадка, а следовательно,

увеличение скорости и расхода жидкости через насадок. При том же диаметре узкого сечения, что и у сопла, и том же напоре диффузорный насадок может дать значительно больший расход, чем сопло (увеличение до 2,5 раза).

Такие насадки применяются в том случае, когда заданы диа­метр узкого сечения и напор, а требуется получить возможно боль­ший расход. Но применение диффузорного насадка возможно лишь при весьма небольших напорах (H =1—4 м), так как иначе в узком месте насадка возникнет кавитация. Следствием кавита­ции являются увеличение сопротивления и уменьшение пропускной способности насадка.

ИСТЕЧЕНИЕ ПРИ ПЕРЕМЕННОМ НАПОРЕ (ОПОРОЖНЕНИЕ СОСУДОВ)

Рассмотрим процесс опорожнения открытого в атмосферу сосу­да произвольной формы через донное отверстие или насадок с ко­эффициентом расхода m (рис. 100). В этом случае имеется истече­ние при переменном, постепенно уменьшающемся напоре, т. е., строго говоря, течение является неустановившимся.

Однако, если напор, а, следовательно, и скорость истечения из­меняются медленно, то движение в каждый данный момент вре­мени можно рассматривать как установившееся, и для решения задачи применять уравнение Бернулли.

Обозначив h переменную высоту уровня жидкости в сосуде, от­считываемую от дна, S — площадь сечения резервуара на этом уров­не, a S _o—площадь отверстия и взяв бесконечно малый отрезок вре­мени dt, можно определить время полного опорожнения сосуда высотой Н (счи­тая m=const):

Интеграл может быть подсчитан, если известен закон изменения площади S по высоте h. Для призматического сосуда S =const следовательно:

Приведенные формулы применимы также для определения времени наполнения сосудов при переменном напоре, уменьшаю­щемся по мере наполнения от h=H до h =0.

В авиационной практике приходится иметь дело с опорожне­нием закрытых сосудов (баков), сообщающихся с атмосферой лишь через отверстие, насадок или дренажную трубку малого диа­метра (рис. 101). В этом случае при истечении жидкости из сосуда

атмосферный воздух втекает внутрь сосуда, где устанавливается разрежение. Поэтому опорожнение сосуда получается замедлен­ным и тем больше, чем более затруднен вход воздуха в сосуд.

Определим время опорожнения такого сосуда:

Полученная формула применима также в том случае, когда вход воздуха в резервуар и исте­чение жидкости из резервуара происходят через трубы, тогда вместо соответствующего коэффи­циента нужно подставить:

ФОРСУНКИ

Форсункой называется специальный насадок, осуществляющий распыливание жидкости, т. е. такое ее истечение, при котором струя по выходе в атмосферу (или в пространство с повышенным давле­нием газа) сразу же распадается на, мельчайшие капли.

В авиационных газотурбинных, а также жидкостно-ракетных двигателях широко применяются так называемые центробежные или вихревые форсунки для распыливания топлива в камерах сго­рания.

Принцип действия такой форсунки заключается в следующем:

поток жидкости вначале закручивается, а затем сужается (рис. 113). Созданный благодаря тангенциальному подводу жид­кости момент количества движения (закрутка) остается примерно постоянным при движении жидкости внутри форсунки; следова­тельно, в процессе сужения потока значительно возрастает окруж­ная составляющая скорости и, возникают значительные центро­бежные силы, прижимающие поток к стенкам и образующие тонкую пленку, которая по выходе из форсунки распадается на мельчай­шие капли. Вдоль оси форсунки при этом образуется воздушный (газовый) вихрь с давлением на поверхности, близким к атмосфер­ному (при истечении в атмосферу).

Таким образом, не все выходное отверстие форсунки диаметром 2 r _о заполнено потоком жидкости; последний имеет кольцевую фор­му поперечного сечения, центральная часть которого занята воз­душным вихрем диаметром 2 r _в. Поэтому коэффициент сжатия e для форсунки обычно значительно меньше единицы.

В силу этого обстоятельства, а также ввиду того, что равно­действующая скорость истечения из форсунки V (см. рис. 113) направлена не по нормали к площади отверстия, а под некоторым углом a, тангенс которого равен отношению окружной составляю­щей и к осевой u, коэффициент расхода форсунки всегда значи­тельно меньше единицы и меняется в зависимости от формы и соот­ношения размеров форсунки в широких пределах.

Расход:

Коэффициент расхода форсунки равен

Изложенная теория форсунки построена для идеальной жидко­сти. Вязкость жидкости при течении в форсунке сказывается в том, что момент количества движения не остается постоянным, а уменьшается к выходу из форсунки.

Вследствие этого окружные составляющие скорости в выходном сечении получаются меньше, а расход больше, чем при истечении идеальной жидкости.

Для получения закрутки потока в форсунках ЖРД часто вместо тангенциального подвода жидкости применяют так называемый винтовой завихритель.

В современных газотурбинных двигателях, чаще всего приме­няются регулируемые центробежные форсунки, коэффициент рас­хода которых (или площадь выходного отверстия) автоматически изменяется в связи с изменением давления топлива. Применение этих форсунок позволяет расширить диапазон расходов топлива при том же диапазоне давлений и сохранить должное качество распыливания. К числу регулируемых форсунок, получивших распространение, относятся форсунки двухсопловые, двухступенчатые и форсунки с перепуском. Общим для них является то, что все они снабжены клапанным устройством, которое при повышении давления откры­вает (или закрывает) дополнительный канал и тем самым увели­чивает коэффициент расхода или площадь выходного отверстия.

Дата добавления: 2015-07-10