Из чего состоит форсунка: УСТРОЙСТВО ФОРСУНКИ

Содержание

УСТРОЙСТВО ФОРСУНКИ

 

Форсунка (инжектор), является основным элементом системы впрыска.

Назначение форсунки

Дозированная подача топлива, распыление его в камере сгорания (впускном коллекторе) и образования топливно-воздушной смеси. Форсунки нашли свое применение в системах впрыска бензиновых и дизельных двигателей. На современных автомобилях устанавливаются форсунки с электронным управлением впрыска.

Виды форсунок

Форсунки различаются в зависимости от способа осуществления впрыска топлива. Давайте рассмотрим основные виды форсунок:

  • Электромагнитные форсунки;
  • Электрогидравлические форсунки;
  • Пьезоэлектрические форсунки.

Устройство электромагнитной форсунки

1 — сетчатый фильтр; 2 — электрический разъем; 3 – пружина; 4 — обмотка возбуждения; 5 — якорь электромагнита; 6 — корпус форсунки; 7 — игла форсунки; 8 – уплотнение; 9 — сопло форсунки.

Электромагнитная форсунка нашла свое применение на

бензиновых двигателях, в том числе оборудованных системой непосредственного впрыска. Электромагнитной форсунка имеет простую конструкцию, которая включает электромагнитный клапан с иглой и соплом.

Как работает электромагнитная форсунка

Работа электромагнитной форсунки осуществляется в соответствии с заложенным алгоритмом в электронный блок управления. Электронный блок в определенный момент подает напряжение на обмотку возбуждения клапана. Вследствие этого создается электромагнитное поле, которое преодолевая усилие пружины, втягивает якорь с иглой и освобождает сопло форсунки, после чего производится впрыск топлива. Когда напряжение исчезает, пружина возвращает иглу форсунки обратно на седло.

Устройство электрогидравлической форсунки

1 — сопло форсунки; 2 – пружина; 3 — камера управления; 4 — сливной дроссель; 5 — якорь электромагнита; 6 — сливной канал; 7 — электрический разъем; 8 — обмотка возбуждения; 9 — штуцер подвода топлива; 10 — впускной дроссель; 11 – поршень; 12 — игла форсунки.

Электрогидравлическая форсунка применяется на дизельных двигателях. Электрогидравлическая форсунка включает электромагнитный клапан, камеру управления, впускной и сливной дроссели.

Как работает электрогидравлическая форсунка

Работа электрогидравлической форсунки основана на использовании давления топлива при впрыске. В обычном положении электромагнитный клапан закрыт и игла форсунки прижата к седлу силой давления топлива на поршень в камере управления. Давление топлива на иглу меньше давления на поршень, благодаря этому впрыск топлива не происходит.

Когда электронный блок управления дает команду на электромагнитный клапан, открывается сливной дроссель. Топливо вытекает из камеры управления через сливной дроссель в сливную магистраль. Впускной дроссель препятствует выравниванию давлений в камере управления и впускной магистрали, вследствие чего давление на поршень снижается, а давление топлива на иглу форсунки не изменяется. Игла форсунки поднимается и происходит впрыск топлива.

Устройство пьезоэлектрической форсунки

1 — игла форсунки; 2 – уплотнение; 3 — пружина иглы; 4 — блок дросселей; 5 — переключающий клапан; 6 — пружина клапана; 7 — поршень клапана; 8 — поршень толкателя; 9 – пьезоэлектрический элемент; 10 — сливной канал; 11 — сетчатый фильтр; 12 — электрический разъем; 13 — нагнетательный канал.

Пьезофорсунка (пьезоэлектрическая форсунка) является самым совершенным устройством, обеспечивающим впрыск топлива в современных автомобилях. Форсунка применяется на дизельных двигателях с системой впрыска Common Rail. Основные преимущества пьезоэлектрической форсунки в точности дозировки и быстроте срабатывания. Благодаря этому пьезофорсунка обеспечивает многократный впрыск на протяжении одного рабочего цикла.

Как работает пьезофорсунка (пьезоэлектрическая форсунка)

Работа пьезофорсунки основана на изменении длины пьезокристалла при подачи напряжения. Пьезоэлектрическая форсунка состоит из: корпуса, пьезоэлемента, толкателя, переключающего клапана и иглы.

Пьезофорсунка работает по гидравлическому принципу. В обычном положении игла прижата к седлу силой высокого давления топлива. Электронный блок подает электрический сигнал на пьезоэлемент и его длина увеличивается, воздействуя на поршень толкателя, открывает переключающий клапан и топливо поступает в сливную магистраль. Давление над иглой падает, и за счет давления в нижней части игла поднимается, что приводит к впрыску топлива. Количество впрыскиваемого топлива зависит от длительности воздействия на пьезоэлемент и давления топлива в топливной рампе.

Устройство форсунки двигателя, бензиновые и дизельные, промывка и чистка

Автомобильная форсунка — устройство, отвечающее за непосредственное распыление топлива внутри камеры сгорания. Непосредственный впрыск — модификация распределенного впрыска горючего, где горючее впрыскивается в цилиндры напрямую. Форсунка — основной связывающий компонент между топливным насосом и мотором. Существует несколько модификаций данного устройства. На современных двигателях используют форсунки, которые оснащены электронным управлением впрыска. Главное предназначение форсунок:

  • обеспечение правильной дозировки топливной смеси;
  • обеспечение правильной струи топливной смеси — кол-во, давление, угол.

Принцип действия форсунки

Топливо в форсунку подается под давлением. При этом блок управления мотором посылает электроимпульсы на электромагнит инжектора, которые активируют работу игольчатого клапана, отвечающего за состояние канала (открыто/закрыто). Количество поступающего топлива определяется длительностью поступающего импульса, влияющего на промежуток нахождения игольчатого клапана в открытом состоянии.

По методу впрыска современные топливные форсунки делятся на три вида – электромагнитные, электрогидравлические и пьезоэлектрические.

  • Электромагнитные форсунки. Такой вид форсунок зачастую устанавливают в бензиновые двигатели. Подача напряжения на обмотку возбуждения клапана происходит строго в установленное время, в соответствии с заложенной программой. Напряжение создает определенное магнитное поле, которое затягивает грузик с иглой из клапана, тем самым высвобождая сопло. Результатом всех действий является впрыск нужного количества топлива. По мере снижения напряжения, игла принимает исходное положение. Визуальное устройство форсунки бензинового двигателя показано на рисунке слева.
  • Электрогидравлическая форсунка. Использование такой системы можно часто увидеть в автомобилях, оснащённых дизелем. Такие инжекторные форсунки состоят из сливной и впускной дроссели, электромагнитного клапана и камеры. Путем изменения давления топлива легко добиться возможности управлять его подачей на цилиндры, и эта особенность является главным отличием инжектора от аналогичных механизмов. Визуальное устройство форсунки дизельного двигателя показано на рисунке слева.
  • Пьезоэлектрические форсунки. Последний вид форсунок принято считать наиболее совершенным и перспективным среди всех описанных видов. Пьезофорсунки используются только на дизельных двигателях внутреннего сгорания с системой подачи топлива Common Rail. Визуальное устройство форсунки Common Rail показано на рисунке слева.

Проблемы и неисправности форсунок двигателя

Для поддержания нормальной работы топливной системы необходимо проводить периодическую чистку форсунок. По мнению специалистов, процедура должна выполняться каждые 20-30 тыс. км пробега, но на практике необходимость в таких работах возникает уже после 10-15 тыс. км. пробега. Это связано с некачественным топливом, плохим состоянием дорог и не всегда правильным уходом за машиной.

К самым актуальным проблемам, преследующими форсунки любого типа, относится появление на стенках деталей отложений, являющихся следствием использования низкокачественного топлива. Результатом является появление загрязнений в системе подачи горючей жидкости и возникновение перебоев в работе, потеря мощности мотором, чрезмерный расход ГСМ. Причинами, влияющими на работу форсунок, могут быть:

  • чрезмерное содержание серы в топливе;
  • коррозия металлических элементов;
  • износ;
  • засорение фильтров;
  • воздействие высоких температур;
  • проникновение влаги и воды.

Надвигающиеся неполадки можно определить по ряду признаков, таких как появление незапланированных сбоев при старте двигателя, увеличение расхода топлива, появление выхлопа черного цвета, нарушение ритмичности работы мотора на холостом ходу.

Способы чистки форсунок

Существует три метода чистки форсунок:

  • ультразвуковая чистка;
  • промывка инжектора через топливную рампу;
  • добавление в топливо специальной промывки.

Ультразвуковая чистка, пожалуй, самая эффективная, но имеет ряд недостатков. Так, с помощью данного метода очищаются лишь сами форсунки, другие же части топливной системы не затрагиваются. Кроме того, данный метод исключен для форсунок, в конструкции которых содержатся элементы керамики (они разрушаются под действием ультразвука).

Метод чистки инжектора через топливную рампу подразумевает присоединение к ней трубок, через которые подается специальный химический состав под высоким давлением. Подобную процедуру выполняют, как правило, на сервисе. Стоимость ее довольно высока. После данной процедуры в обязательном порядке следует заменить свечи зажигания.

Прочистка форсунок посредством специального химического состава, заливаемого в бак, зачастую малоэффективна. Химические соединения, как правило, не способны справиться с сильным загрязнением. Данный способ хорош в профилактических целях, но не для чистки непосредственно. В состав подобных соединений для чистки входят жидкие компоненты, нацеленные на удаление налета, а также мелкодисперсные частицы с абразивными свойствами. Они должны очищать топливопровод от продуктов окисления и налета, а форсунки под их воздействием должны очищаться от нагара. В результате форма распыла топлива вновь должна приобрести правильную конусообразную форму.

Устройство форсунки дизельного двигателя

Дизельная форсунка представляет собой один из главных элементов системы питания дизельного двигателя. Форсунка (инжектор) обеспечивает прямую подачу солярки в камеру сгорания дизеля, а также дозирование подаваемого топлива с высокой частотой (более 2 тыс. импульсов в минуту). Инжектор осуществляет эффективный распыл горючего в пространстве над поршнем. Топливо в результате такого распыла получает форму факела. Форсунки отличных друг от друга систем топливоподачи имеют конструктивные особенности, различаются по способу управления. Инжекторы делят на две группы:

  • механические;
  • электромеханические;

Содержание статьи

Принцип работы механической форсунки

Принцип работы системы питания дизеля с механическим управлением форсунки состоит в следующем. К топливному насосу высокого давления (ТНВД) подается горючее из топливного бака. За подачу отвечает подкачивающий насос, который создает низкое давление, необходимое для прокачки солярки по топливопроводам.

Далее ТНВД в нужной последовательности осуществляет распределение и нагнетание горючего под высоким давлением в магистрали, ведущие к механической форсунке. Каждая форсунка данного типа открывается для очередного впрыска порции солярки в цилиндры под воздействием высокого давления топлива. Снижение давления приводит к закрытию дизельной топливной форсунки.

Простой механический инжектор имеет корпус, распылитель, иглу и одну пружину. В устройстве запорная игла свободно движется по направляющему каналу распылителя. Сопло форсунки плотно перекрывается в тот момент, когда нет нужного давления от ТНВД. Внизу игла опирается на уплотнение распылителя, имеющее коническую форму. Прижим иглы реализован посредством закрепленной сверху пружины.

Распылитель является одной из важнейших составных деталей среди других элементов в устройстве инжекторной форсунки. Распылители могут иметь разное количество распылительных отверстий, отличаться способом регулировки подачи топлива.

Простые дизельные моторы, которые имеют разделенную камеру сгорания, зачастую получают распылитель с одним отверстием и иглой. Дизельные моторы, которые устроены на основе непосредственного впрыска топлива, оборудованы форсунками с несколькими распылительными отверстиями. Число отверстий в таком распылителе колеблется от двух до шести.

Подача топлива регулируется зависимо от конструкции распылителя, так как существуют два основных типа подобных решений:

  • распылитель с возможностью перекрытия каналов;
  • распылитель с перекрываемым объемом;

В первом случае игла форсунки перекрывает подачу горючего путем перекрытия каждого отверстия. Второй тип форсунок означает, что игла перекрывает своеобразную камеру в нижней части распылителя.

Давление топлива, нагнетаемого ТНВД, заставляет иглу подниматься благодаря наличию на поверхности такой иглы специальной ступеньки. Солярка проникает в корпус под указанной ступенькой. В момент, когда давление горючего сильнее усилия, которое создает прижимная пружина, игла движется вверх. Таким образом открывается канал распылителя. Дизтопливо под давлением проходит через распылитель и происходит его распыл в форме факела. Так реализован впрыск топлива.

Далее определенное количество горючего, которое подается насосом высокого давления, пройдет через распылитель и попадет в камеру сгорания. После этого давление на ступеньке иглы начинает снижаться, в результате чего игла от усилия пружины возвращается в исходное положение и плотно перекрывает канал. Тогда подача солярки в распылитель полностью прекращается.

Инжектор с двумя пружинами

На эффективность топливоподачи и последующего сгорания топлива в цилиндрах дизеля можно влиять, изменяя различные характеристики форсунки, такие как структура и количество каналов распылителя, усилие пружины и т.п. Одним из конструкторских решений стало внедрение в устройство форсунок специального датчика подъема иглы. Данный подъем учитывается специальными электронными блоками управления, которые взаимодействуют с ТНВД.

Еще одним витком развития стали дизельные форсунки с двумя пружинами. Устройство таких форсунок сложнее, но результатом становится большая гибкость в процессе подачи топлива. Сгорание рабочей смеси становится более мягким, дизель тише работает. 

Особенностью работы указанных инжекторов является двухступенчатый подъем иглы. Получается, нагнетаемое ТНВД топливо сначала превышает по силе давления силу сопротивления одной пружины, а затем другой. В режиме холостого хода и при небольших нагрузках на мотор впрыск осуществляется только посредством первой ступени, подавая в двигатель незначительное количество солярки. Когда мотор выходит на режим нагрузки, давление нагнетаемого ТНВД топлива растет, горючее подается уже двумя дозированными порциями. Первый впрыск небольшого объема (1/5 от общего количества), а далее основной (около 80% солярки). Разница давлений впрыска для открытия первой и второй ступени не особенно большая, что обеспечивает плавность топливоподачи.

Такой подход позволил повысить равномерность, эффективность и полноценность сгорания смеси. Дизельный двигатель стал расходовать меньше горючего, снизилось количество токсичных примесей в выхлопных газах. Дизельные форсунки с двумя пружинами активно использовались на агрегатах с непосредственным впрыском топлива до момента появления систем питания под названием Commоn Rail.

Электромеханическая дизельная форсунка

Дальнейшее развитие систем топливоподачи дизельного ДВС привело к появлению форсунок, в которых солярка подается в цилиндры посредством электромеханических форсунок. В таких инжекторах игла форсунки открывает и закрывает доступ к распылителю не под воздействием давления топлива и противодействия силе пружины, а при помощи специального управляемого электромагнитного клапана. Клапан контролируется ЭБУ двигателя, без соответствующего сигнала которого горючее не попадет в распылитель.

Блок управления отвечает за  момент начала топливного впрыска и длительность подачи топлива. Получается, ЭБУ дозирует солярку для дизеля путем подачи на клапан форсунки определенного количества импульсов. Параметры импульсов напрямую зависят от того, с какой частотой вращается коленчатый вал двигателя, в каком режиме работает дизельный мотор, какая температура ДВС и т.д.

В системе питания Common Rail электромеханическая форсунка может за один цикл реализовать подачу топлива посредством нескольких раздельных импульсов (впрысков). Топливный впрыск за цикл осуществляется до 7 раз. Давление впрыска также значительно повысилось сравнительно с предыдущими системами.

Благодаря дозированной высокоточной подаче давление газов на поршень в результате сгорания смеси растет плавно, сама топливно-воздушная смесь равномернее распределяется по цилиндрам дизеля, лучше распыляется и полноценно сгорает.

Дальнейшее видео наглядно иллюстрирует принцип работы электромеханической форсунки на примере бензинового двигателя. Главное отличие заключается в том, что давление топлива в дизельной форсунке значительно выше. 

Указанный подход позволил окончательно переложить задачу по управлению впрыском с форсунок и ТНВД на электронный блок. Электронный впрыск работает намного точнее, дизель с подобными решениями стал еще более мощным, экономичным и экологичным. Разработчикам удалось значительно снизить вибрации и шумы в процессе работы дизельного агрегата, повысить общий ресурс ДВС.

Насос-форсунка

Одной из разновидностей систем питания дизеля являются конструкции, в которых полностью отсутствует ТНВД. За создание высокого давления впрыска отвечают так называемые дизельные насос-форсунки. Принцип работы системы состоит в том, что насос низкого давления сначала подает солярку напрямую к инжектору, в котором уже имеется собственная плунжерная пара для создания высокого давления впрыска. Плунжерная пара форсунки работает от прямого воздействия на нее кулачков распредвала. Данная система позволяет добиться лучшего качества распыла дизтоплива благодаря способности создать очень высокое давление впрыска. 

Исключение из системы подачи топлива ТНВД позволяет сделать размещение дизельного ДВС под капотом более компактным, избавиться от привода топливного насоса и отбора мощности на его постоянное вращение. Также стало возможным удалить из системы питания решения, которые распределяют топливо от ТНВД по цилиндрам. Инжекторы в системе с насос-форсунками имеют электрический клапан, что позволяет подавать топливо за два импульса.

Принцип похож на работу механической форсунки с двумя пружинами. Решение позволяет реализовать сначала подвпрыск, а уже затем произвести подачу в цилиндр основной порции горючего. Насос-форсунки реализуют подачу топлива в максимально точно заданный момент начала впрыска, лучше дозируют солярку. Дизельный мотор с такой системой экономичен, работает мягко и тихо, содержание вредных веществ в отработавших газах сведено к минимуму.

Главным минусом решения можно считать то, что давление впрыска насос-форсунки напрямую зависит от частоты вращения коленвала двигателя. В списке недостатков также отмечены: сложность исполнения, высокая требовательность к моторному маслу, чистоте и качеству топлива. В процессе эксплуатации выделяют трудности в процессе ремонта и обслуживания, а также общую дороговизну сравнительно с системами, которые оборудованы привычным ТНВД.

Читайте также

устройство, неисправности, чистка и проверка

Топливная форсунка (ТФ), или инжектор, относится к деталям топливной системы впрыска. Она управляет дозированием и подачей ГСМ с его последующим разбрызгиванием в камере сгорания и соединением с воздухом в единую смесь.

ТФ выступают в роли главных исполнительных деталей, относящихся к системе впрыска. Благодаря им происходит разделение топлива на мельчайшие частицы путем разбрызгивания и его поступление в двигатель. Форсунки для любого типа моторов выполняют одинаковое назначение, однако различаются конструкционно и по принципу действия.

Топливные форсунки

Данный вид изделий отличается индивидуальным изготовлением под конкретный тип силового агрегата. Иначе говоря, универсальной модели этого устройства не существует, поэтому переставлять их с бензинового мотора на дизельный нельзя. В качестве исключения можно привести пример гидромеханических моделей от BOSCH, устанавливаемых на механические системы, работающие на непрерывном впрыске. Они находят широкое применение для различных силовых агрегатов в качестве составного элемента системы «K-Jetronic», хотя и имеют несколько модификаций, не связанных между собой.

Расположение и принцип работы

Схематично форсунка – это электромагнитный клапан, управляемый программно. Она обеспечивает подачу топлива в цилиндры в установленных дозах, причем установленная система впрыска определяет вид используемых изделий.

Как устроена форсунка

Топливо в форсунку подается под давлением. При этом блок управления мотором посылает электроимпульсы на электромагнит инжектора, которые активируют работу игольчатого клапана, отвечающего за состояние канала (открыто/закрыто). Количество поступающего топлива определяется длительностью поступающего импульса, влияющего на промежуток нахождения игольчатого клапана в открытом состоянии.

Расположение форсунок зависит от конкретного типа системы впрыска:

• Центральный – размещаются перед дроссельной заслонкой во впускном трубопроводе.

• Распределенный –всем цилиндрам соответствует отдельная форсунка, размещаемая у основания впускного трубопровода и осуществляющая впрыск ГСМ.

• Непосредственный –форсунки находятся вверху стенок цилиндра, что обеспечивает впрыск напрямую в камеру сгорания.

Форсунки для бензиновых моторов

Бензиновые моторы комплектуются следующими типами инжекторов:

• Одноточечные – подают топливо, расположены до дроссельной заслонки.

• Многоточечные – за подачу ГСМ на цилиндры отвечают несколько форсунок, располагаемых перед трубопроводами.

ТФ обеспечивают подачу бензина в камеру сгорания силовой установки, при этом конструкция таких деталей неразборная и не предусматривает ремонт. По стоимости они дешевле тех, что устанавливаются на дизельных моторах.

грязные форсунки

Как деталь, обеспечивающая нормальную работу топливной системы автомобиля, форсунки часто выходят из строя по причине загрязнения расположенных на них фильтрующих элементов продуктами сгорания. Подобные отложения перекрывают распылительные каналы, что нарушает работу ключевого элемента – игольчатого клапана и прерывает поступление топлива в камеру сгорания.

Форсунки для дизельных моторов

Правильную работу топливной системы дизельных двигателей обеспечивают два типа устанавливаемых на них форсунок:

• Электромагнитные, за работу которых отвечает специальный клапан, регулирующий поднятие и опускание иглы.

• Пьезоэлектрические, работающие за счет гидравлики.

Правильная настройка форсунок, а также степень их износа влияет на работу дизельного мотора, выдаваемую им мощность и объем расходуемого горючего.

Поломку или неисправность работы дизельной форсунки автовладелец может заметить по ряду признаков:

• Увеличился расход топлива при нормальной тяге.

• Машина не хочет двигаться с места и дымит.

• У авто вибрирует двигатель.

Проблемы и неисправности форсунок двигателя

Для поддержания нормальной работы топливной системы необходимо проводить периодическую чистку форсунок. По мнению специалистов, процедура должна выполняться каждые 20-30 тыс. км пробега, но на практике необходимость в таких работах возникает уже после 10-15 тыс. км. пробега. Это связано с некачественным топливом, плохим состоянием дорог и не всегда правильным уходом за машиной.

К самым актуальным проблемам, преследующими форсунки любого типа, относится появление на стенках деталей отложений, являющихся следствием использования низкокачественного топлива. Результатом является появление загрязнений в системе подачи горючей жидкости и возникновение перебоев в работе, потеря мощности мотором, чрезмерный расход ГСМ.

Причинами, влияющими на работу форсунок, могут быть:

• Чрезмерное содержание серы в ГСМ.

• Коррозия металлических элементов.

• Износ.

• Засорение фильтров.

• Неверная установка.

• Воздействие высоких температур.

• Проникновение влаги и воды.

Надвигающиеся неполадки можно определить по ряду признаков:

• Появление незапланированных сбоев при старте двигателя.

• Существенное увеличение расхода топлива в сравнении с номинальными значениями.

• Появление выхлопов черного цвета.

• Появление сбоев, нарушающих ритмичность работы мотора на холостом ходу.

Способы чистки форсунок

Для решения вышеназванных проблем требуется периодическая промывка топливных форсунок. Для устранения загрязнений применяют ультразвуковую очистку, используют особую жидкость, выполняя процедуру вручную, либо добавляют специальные присадки, позволяющие очистить форсунки без разбора мотора.

Заливка промывки в бензобак

Наиболее простой и щадящий способ очистки загрязненных форсунок. Принцип действия добавляемого состава заключается в постоянном растворении с его помощью имеющихся отложений в системе впрыска, а также частичное предотвращение их появления в будущем.

промывка форсунки с помощью присадок

Такая методика хороша для новых машин либо автомобилей с небольшим пробегом. В этом случае добавление промывки в бак с топливом выступает профилактикой, позволяющей поддерживать силовую установку и топливную систему машины в чистоте. Для машин с серьезными загрязнениями топливной системы данный способ не подходит, а в ряде случаев может нанести вред, усугубив имеющиеся проблемы. При большом количестве загрязнений смытые отложения попадают в форсунки и забивают их еще больше.

Чистка без снятия с двигателя

Промывка ТФ без разбора двигателя выполняется путем подключения промывочной установки непосредственно к мотору. Такой подход позволяет отмыть скопившуюся грязь на форсунках и топливной рампе. Двигатель на полчаса запускается на холостом ходу, подача смеси происходит под давлением.

промывка форсунок с помощью аппарата

Данный способ не используется на сильно изношенных двигателях, а также не подходит для автомобилей с установленной системой КЕ-Jetronik.

Чистка со снятием форсунок

При сильных загрязнениях двигатель разбирают на специальном стенде, снимают форсунки и выполняют их индивидуальную очистку. Подобные манипуляции дополнительно позволяют определить наличие неисправностей в работе форсунок с их последующей заменой.

снятие и промывка

Чистка ультразвуком

Очистка форсунок выполняется в ультразвуковой ванне для предварительно снятых деталей. Вариант подходит при сильных загрязнениях, не убирающихся очистителем.
Операции по очистке форсунок без снятия с двигателя в среднем обходятся владельцу автомобиля в 15-20 у.е. Стоимость диагностики с последующей чистой для одной форсунки в ультразвуке либо на стенде составляет около 4-6 у.е. Комплексные работы по промывке и замене отдельных деталей позволяют обеспечить бесперебойную работу топливной системе еще на полгода, добавив 10-15 тыс. км. пробега.

устразвуковая чистка топливных форсунок

Форсунки двигателей трактора

Категория:

   Тракторы-2

Публикация:

   Форсунки двигателей трактора

Читать далее:



Форсунки двигателей трактора

Форсунка предназначена для впрыскивания топлива в камеру сгорания дизеля в тонкораспыленном виде. Она состоит из корпуса (рис. 1), к которому снизу при помощи гайки прикрепляется корпус распылителя. Внутри корпуса форсунки размещаются штанга, регулировочный винт, детали крепления пружины и фиксации положения регулировочного винта. Сверху форсунка закрывается колпаком.

Топливо под давлением поступает в форсунку от насосной секции через топливопровод высокого давления. В форсунке топливо проходит по каналам в полость кольцевой камеры распылителя. Давлением топлива на конусную поверхность игла приподнимается, преодолевая сопротивление пружины. При этом игла открывает распыливающие отверстия и топливо выходит из форсунки, тонко распыливаясь. Как только ослабевает давление топлива, поступающего в форсунку, пружина, действуя через штангу на иглу распылителя, перемещает ее вниз и закрывает распиливающие отверстия. Впрыск прекращается. Таким образом, впрыск топлива форсункой происходит только тогда, когда сила давления топлива на конусную поверхность иглы превышает силу воздействия на иглу пружины.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Рис. 1. Форсунка ФД-22: 1 — игла распылителя; 2 и 6 — прокладки; 3 — кольцевая камера; 4 и 5 — каналы подвода топлива к распылителю; 7 — фильтр; 8 — штуцер; 9 — регулировочный винт; 10 — колпак; 11 — контргайка; 12 — пружина; 13- штанга; 14 — корпус форсунки; 15 -штифт; 1в — корпус распылителя; 17 — гайка распылителя; 18 — распиливающее отверстие

Давление впрыска топлива форсункой зависит от силы воздействия пружины на иглу. Чем больше затянута пружина регулировочным винтом, тем сильнее ее воздействие на иглу и, следовательно, требуется большее давление топлива для подъема иглы и начала впрыска.

Форсунки (распылители) классифицируются по принципу действия — открытые и закрытые, по конструкции запорной части иглы — штифтовые и бесштифтовые, по числу распыливающих отверстий — однодырчатые и многодырчатые.

Форсунка называется открытой, если ее топливный канал высокого давления свободно сообщается с камерой сгорания.

Закрытой называется такая форсунка, у которой канал ввода топлива в камеру сгорания закрыт, например, запорной иглой и открывается только под определенным давлением топлива в моменты впрыска топлива. На современных дизельных двигателях применяют преимущественно форсунки закрытого типа.

Штифтовая форсунка может иметь прямой (рис. 2, а) или обратный конус (рис. 2, б), определяющий форму струи впрыскиваемого топлива.

Штифт с прямым конусом обеспечивает лучшее распы-ливание топлива (вершина конуса распыли в выходном отверстии распылителя). Факел струи охватывает больший объем камеры сгорания. Топливо лучше перемешивается с воздухом. Штифты с прямым конусом весьма сложны в изготовлении и требуют высокой точности обработки.

Рис. 2. Конструкции распылителей форсунок: а — с прямым конусом; б — с обратным конусом; в — с плоской запорной частью; г — с конусной запорной частью

Штифт с обратным конусом дает струйное распылива-ние. Остро направленная струя обладает большой дальнобойностью. Однако струя впрыскиваемого топлива не охватывает большого объема камеры сгорания, и вследствие этого не достигается хорошее перемешивание топлива с воздухом. Закрытые штифтовые форсунки работают при сравнительно низких давлениях впрыска (12,5… 13,5 МПа) и применяются на тракторных дизелях с разделенными камерами сгорания.

Бесштифтовые форсунки более чувствительны к изменениям подачи топлива насосом. Запорная часть иглы бесштифтового распылителя может быть плоской (рис. 2, в) и конической (рис. 2, г).

У бесштифтовых форсунок может быть одно или несколько распыливающих отверстий. Форсунки с многодырчатым распылителем (рис. 2, г) имеют коническую форму запорной части. Бесштифтовые форсунки с многодырчатым распылителем работают при давлении 15…21 МПа. Их устанавливают на быстроходных тракторных дизелях с непосредственным впрыском топлива.

Рекламные предложения:


Читать далее: Техническое обслуживание форсунок и топливных насосов

Категория: — Тракторы-2

Главная → Справочник → Статьи → Форум


Форсунка дизельного двигателя.


Устройства и приборы высокого давления



Форсунки дизельного двигателя


Назначение форсунок и требования к ним

Форсунка служит для подачи топлива в цилиндр двигателя, распыления и распределения топлива по камерам сгорания.

Условия работы форсунок очень тяжелые – они подвержены воздействию колоссальных давлений и тепловых нагрузок. Впрыск начинается при температуре в камере сгорания 700…900 ˚С и давлении 3…6 МПа, а заканчивается при температуре до 2000 ˚С и давлении 10…11 МПа.

К форсункам предъявляются следующие очень жесткие требования:

  • оптимальная дисперсность, т. е. высокая степень дробления капель топлива, так как чем меньше капли, тем больше их суммарная поверхность, быстрее происходит нагрев и сгорание топлива, но при этом уменьшается длина факела;
  • обеспечение такой скорости струи топлива, чтобы оно достигало краев камеры сгорания, поэтому капли не должны быть слишком мелкими – средний размер капель (с учетом требования по первому пункту) – 30…50 мкм;
  • распределение впрыскиваемого топлива по всему объему камеры сгорания;
  • резкое начало впрыска и его прекращение.

Форсунки бывают открытые и закрытые.
Открытые форсунки обеспечивают постоянную подачу топлива. В современных дизелях такие форсунки не применяются.
В дизельных двигателях применяют закрытые форсунки, которые открываются только в момент подачи топлива в камеру сгорания.

Закрытые форсунки могут быть двух типов – одно- и многодырчатые. Первые устанавливают на двигателях с вихревыми камерами сгорания, вторые с неразделенными камерами сгорания.

Различают, также, механические форсунки и форсунки, управляемые электроникой.
Современные системы питания дизельных двигателей используют впрыск, управляемый компьютером (электронным блоком управления). На основании информации, поступающей от многочисленных датчиков, такие системы учитывают многие процессы и текущие параметры работы двигателя. Форсунки в таких системах управляются специальными электромагнитными или пьезоэлектрическими устройствами, что открывает широкие возможности повышения эффективности работы двигателя, а также его экологичности.

К отдельной категории устройств для впрыска топлива в цилиндры относятся насос-форсунки, представляющие собой своеобразный гибрид между ТНВД и форсункой в одном узле.

***

История изобретения форсунки

Как известно, Рудольф Дизель изначально планировал работу своего знаменитого детища на угольной пыли. Его система питания содержала специальный насос, вдувавший угольную пыль в цилиндр двигателя сжатым воздухом. Однако, уголь оказался низкокалорийным топливом, не способным дать высокой температуры сгорания, и Дизелю пришлось обратить свой гениальный взор к жидким топливам. Ведь разница температур в цикле работы двигателя – прямой путь к повышению КПД, как установил француз Николя Сади Карно.

Сначала Дизель попробовал впрыскивать в цилиндр своего двигателя бензин, но при первом же испытании двигателя произошел взрыв, едва не стоивший жизни самого Дизеля и его помощников, и изобретателю пришлось применить менее взрывоопасное топливо – керосин.
В июне 1894 года Дизель построил двигатель, использующий в качестве топлива керосин, который впрыскивался в цилиндры специальной форсункой. Для впрыскивания керосина применялся пневматический компрессор, развивавший давление, превышающее давление в цилиндре двигателя. За такими двигателями закрепилось название «компрессорные дизели».

Идея гидравлического впрыска топлива в дизельных двигателях принадлежит, как утверждает история, французскому инженеру Сабатэ, который, к тому же, предложил многократный впрыск, т. е. впрыск, осуществляемый в несколько этапов (эта идея используется в современных системах питания — Common Rail и насос-форсунка).

В 1899 году русский инженер Аршаулов впервые построил и внедрил топливный насос высокого давления оригинальной конструкции — с приводом от сжимаемого в цилиндре воздуха, работавший с бескомпрессорной форсункой. Эти форсунки устанавливались на дизелях, выпускавшихся Механическим заводом «Людвиг Нобель» в Петербурге в начале прошлого века («русские дизели»).

В 20-е годы XX века немецкий инженер Роберт Бош усовершенствовал встроенный топливный насос высокого давления, а также создал удачную модификацию бескомпрессорной форсунки. Эти устройства с различными усовершенствованиями используются в системах питания дизельных двигателей и в наши дни.

Дизельные двигатели, использующие в системе питания повышение давления топлива перед впрыском, называют «бескомпрессорными дизелями».
В настоящее время классические компрессорные дизели не имеют практического применения. В современных двигателях впрыск осуществляется бескомпрессорными способами.

Однако, наука и техника не стоят на месте, и, благодаря широкой компьютеризации всех систем автомобиля, в настоящее время механические форсунки постепенно вытесняются более совершенными устройствами, управляемыми электроникой.

***

Принцип действия многодырчатой форсунки

В многодырчатой форсунке основной частью является распылитель. Он состоит из корпуса 1 (рис. 1, а) и иглы 2. Распылитель притянут к корпусу 7 форсунки накидной гайкой 3. Сверху на иглу давит пружина 12 (рис. 1, б). Топливо в полость Б форсунки подается по каналу В.
Когда нет подачи топлива насосом (рис. 1. I), давление в полости Б составляет 2…4 МПа. Топливо давит на нагрузочный поясок Г иглы, но эта сила меньше силы пружины, которая прижимает иглу к распылителю. Игла запорным конусом Д перекрывает выходные отверстия – сопло А.

При подаче топлива насосом сила давления топлива на поясок Г становится больше силы пружины, игла поднимается, и через сопло А с большой скоростью топливо впрыскивается в камеру сгорания. После окончания подачи топлива давление падает, пружина возвращает иглу на место, запирая выходные отверстия распылителя, и впрыск прекращается.

Подъем иглы ограничен упором ее верхних заплечиков в корпус 5 форсунки и составляет 0,2…0,25 мм.

Качество дробления топлива зависит от скорости его движения через сопла, которая, в свою очередь, зависит от давления впрыска. При нормальном режиме скорость струи топлива составляет 200…400 м/с. Для этого необходимо создать перепад давлений в форсунке и камере сгорания 5…10 МПа. Поскольку давление в цилиндре в момент впрыска достигает 3…5 МПа, давление топлива в форсунке должно быть более 10…20 МПа.
Чтобы обеспечить работу форсунки при таком давлении, корпус распылителя и игла выполнены очень точно и притерты друг к другу. Они являются третьей прецизионной парой в магистрали высокого давления. Игла и корпус распылителя не подлежат разукомплектованию и подлежат замене только в комплекте.



Устройство многодырчатой форсунки

На двигателях с неразделенными камерами сгорания устанавливают, как правило, многодырчатые форсунки. Так, на двигателях КамАЗ-740 устанавливается форсунки серии 33, на двигателях ЗИЛ-645 и ЯМЗ-240 – форсунки Б-2СБ, на двигателях ЯМЗ-238 – форсунки модели 80 (см. рисунок 2 внизу страницы).

К корпусу 7 форсунки накидной гайкой 3 притянут распылитель с иглой 2. Распылитель имеет четыре сопловых отверстия диаметром 0,3 мм. На иглу через штангу 13 давит пружина 12. Топливо от насоса подается в полость форсунки через штуцер 9, в котором установлен фильтр 10. Верхнее отверстие в корпусе служит для отвода в бак топлива, просочившегося через зазоры между иглой и распылителем. Штифты 4 и 6 определяют точное положение распылителя относительно корпуса и топливных каналов. Прокладками 11 регулируют натяжение пружины, которое определяет давление начала впрыска.

Форсунки устанавливают в специальные гнезда головки цилиндра и закрепляют скобами.
Между корпусом форсунки и головкой блока размещается уплотнительная медная шайба (кольцо), которая надевается на корпус распылителя и вместе с форсункой аккуратно вставляется в гнездо головки. Такая шайба служит не только уплотнителем между форсункой и головкой, но и обеспечивает хороший теплоотвод от распылителя к головке цилиндров.
Уплотнительное кольцо 8 предохраняет полость клапанной крышки от попадания в нее пыли и влаги.

***

Устройство однодырчатой штифтовой форсунки

Однодырчатые форсунки иногда называют штифтовыми, поскольку конец ее иглы выполняется в виде штифта. Такие форсунки устанавливают, как правило, в дизелях с разделенными камерами сгорания.
Конструкция распылителя таких форсунок обеспечивает объемно-пленочное смесеобразование, поскольку распыливание топлива более направленное, чем в многодырочных форсунках, и значительная часть топлива достигает стенок камер сгорания, образуя быстро испаряющуюся пленку.

Дизели с вихревыми (раздельными) камерами сгорания менее чувствительны к составу топлива и устойчивее работают в широком диапазоне частот вращения. Применяемые с ними форсунки рассчитаны на меньшее давление, следовательно, не требуют столь высокой точности изготовления, как форсунки для неразделенными камерами сгорания, а потому дешевле.

На рис. 1,в показан распылитель штифтовой однодырчатой форсунки. Такая форсунка устанавливается в вихревых камерах сгорания и имеет одно сопло.
Конец иглы 2 выполнен в виде штифта 13 конусной формы, выступающего за пределы корпуса распылителя. Штифт служит для формирования факела топлива в виде конуса.
Принцип работы однодырчатых форсунок не отличается от принципа работы многодырчатых форсунок.

Устройство некоторых типов форсунок, применяемых на автотракторных дизельных двигателях отечественного производства приведено на рисунке 2.

***

Трубопроводы высокого давления дизеля


Главная страница


Дистанционное образование

Специальности

Учебные дисциплины

Олимпиады и тесты

Устройство форсунки инжектора — как попадает бензин в двигатель?

Как правило, на сегодня, большое количество автомобилей оборудуются специальными системами впрыска горючего. Интересно будет узнать, о том что идея о внедрении такой системы в автомобильный мир появилась уже в далеких 50-х годах. Так, 1951 год стал годом рождения первой системы впрыска топлива, именно в этом году компания Bosch укомплектовала ею 2-х тактный двигатель купе Goliath 700 Sport.

Последователем Bosch стал Mercedes-Benz 300 SL, который подхватил эстафету в 1954 году. И вот, уже в конце 70-х годов началось массовое, серийное введение инжекторных систем впрыска топлива. Как оказалось на практике, впрыск топлива имеет множество достоинств и отличных характеристик, по которым такая система превосходит карбюраторную подачу топлива. От карбюраторного принципа смесеобразования система впрыска топлива отличается более безошибочной дозировкой топлива, а следовательно, и большей экономичностью и приемистостью автомобильного транспорта. Также система впрыска топлива славится меньшей токсичностью выхлопных газов. Можно сделать такой вывод, что переоценить работу системы впрыска топлива практически невозможно.

Форсунка является одной из аниболее важных частей системы впрыска топлива, поэтому она во многом и определяет эффективность и надежность работы движка. Однако, именно она работает в наиболее тяжелых условиях. Каждому автолюбителю важно знать что это за деталь и как она работает, дабы в случае какой-либо неисправности системы впрыска топлива произвести правильную диагностику поломки, ведь именно от состоянии форсунки зависит хорошая работоспособность самой системы. В данной статье мы акцентируем внимание именно на строении форсунки, ее видах и принципе работы. Итак, начнем.

1. Типы инжекторных форсунок

Для начала давайте разберемся, что такое форсунка и какое ее предназначение. Деталь форсунки (по-другому можно назвать инжектором) представляет собой конструктивный элемент системы впрыска горючего. Главными тремя функциями, которые выполняет форсунка являются дозированная подача топлива, распыление данной топливной жидкости в камере сгорания (другими словами – впускной коллектор), а также возникновение топливно-воздушной смеси.

Как правило, форсунка приводится в эксплуатацию в системах впрыска топлива как дизельных, так и двигателей, работающих на бензине. Если говорить о современных двигателях, установленные в них форсунки руководствуются электронным управлением впрыска. Данную деталь принято разделять на три типа, в зависимости от способа произведения впрыска.

Итак, существуют такие три вида форсунки:

1. Электрогидравлическая

2. Электромагнитная

3. Пьезоэлектрическая

Теперь о каждом виде поподробнее.

Форсунка электромагнитная

Данную форсунку, как правило, принято устанавливать именно на бензиновых движках, в том числе укомплектованных системой непосредственного впрыска. Сама по себе электромагнитная форсунка имеет довольно обычное строение и состоит непосредственно из электромагнитного клапана с иглой и сопла. Работает такая форсунка по своеобразному принципу. В соотношении с заложенным алгоритмом, установленный электронный блок управления способен обеспечить в нужный момент передачу напряжения прямиком на обмотку возбуждения клапана. В этот момент создается своеобразное электромагнитное поле, которое может преодолевать усилие пружины, втянуть якорь с иглой и отпустить сопло. После проделанной операции осуществляется впрыск топлива. После того момента, как напряжение исчезнет, пружина возвращает иглу форсунки обратно на седло.

Форсунка электрогидравлическая

Как правило, электрогидравлическую форсунку принято приводить в действие на двигателях использующих дизель, в том числе и таких, которые укомплектованы системой впрыска Common Rail. Сама по себе электрогидравлическая форсунка состоит из впускной и сливной дроссели, камеры управления, а также электромагнитного клапана. Такая форсунка приводится в эксплуатацию по принципу применения в процессе работы давления топлива, как при произведении впрыска, так и при его окончании.

Как правило, на начальной позиции электромагнитный клапан обесточен и находится в закрытом состоянии, игла форсунки прислоняется к седлу благодаря мощности давления топлива на поршень, которое имеет место в камере управления. В этом случае впрыск топлива не производится. В этот момент давление топлива на иглу ввиду несоответствии площадей контакта порядка меньше чем давление на поршень.

Электронный блок управления посылает сигнал и по его команде в работу включается электромагнитный клапан, который осуществляет открытие сливной дроссели. В свою очередь, топливо, которое выходит из камеры управления, начинает проходить через дроссель прямиком в сливную магистраль. В таком случае, дроссель способна воспрепятствовать скорой стабилизации давлений в камере управления и впускной магистрали. Таким образом, происходит снижение давления на поршень, но давление топлива на иглу остается на прежнем уровне. Под воздействием давления игла двигается вверх и происходит впрыск топлива.

Форсунка пьезоэлектрическая

Пьезоэлектрическая форсунка является самым совершенным и надежным устройством, которое способно обеспечить впрыск горючего. Такую форсунку, как правило, устанавливают на двигателях, использующих дизель, которые укомплектованы системой впрыска Common Rail. Такой вид форсунки имеет много достоинств, среди которых имеет место быстрота срабатывания Данная форсунка превосходит всех своих оппоненток и является самым надежным устройством, обеспечивающим впрыск горючего.

Преимуществом пьезофорсунки является быстрота срабатывания, которая в четыре раза превышает быстроту электромагнитного клапана. Из этого следует осуществимость многократного впрыска горючего в период одного цикла, а также безошибочная дозировка впрыскиваемого горючего.

Вся операция происходит благодаря использованию пьезоэффекта в руководстве форсункой, который был основан на изменении показателей длины пьезокристалла под воздействием напряжения. Вся конструкция пьезоэлектрической форсунки состоит из пьезоэлемента, переключающего клапана, толкателя, а также иглы, которые умещаются в корпусе. Пьезофорсунка приводится в работу по такому же принципу как и электрогидравлическая, а именно по гидравлическому. В связи с высоким давлением горючего, игла, находящаяся на исходной позиции, посажена на седло.

Во время подачи электрического сигнала на пьезоэлемент, производится увеличение его длины, при этом это позволяет пьезоэлементу толкать усилие непосредственно на поршень толкателя. В этот момент, переключающий клапан приходит в открытое состояние и топливо проходит в сливную магистраль. При этом падает давление, которое находится выше иглы. При этом, за счет давления в нижней части игла идет вверх и происходит впрыск горючего. Как правило, количество впрыскиваемого топлива может определяться длительностью воздействия на пьезоэлемент, а также уровнем давления горючего в топливной рампе.

2. Принцип работы форсунки инжектора

Для того, чтобы разобраться в принципе работы форсунки, нужно в общем понять работу всей системы впрыска топлива. Итак, данная система производит подачу горючего в цилиндр двигателя либо во впускной коллектор по принципу прямого впрыска благодаря форсунке, или как принято называть еще, инжектора. Исходя из этого, все автомобили, которые комплектуются такой системой, получают название инжекторных.

Классифицирование инжекторного впрыска проводится в зависимости от того, какой принцип работы инжектора, а также по месту его установки и суммарному количеству инжекторов. Как правило, центральный впрыск топлива осуществляется по такому принципу: во всеобщий впускной трубопровод, с помощью форсунки впрыскивается топливо на все цилиндры двигателя.

Форсунку, как мы уже упоминали, принято устанавливать именно перед дроссельной заслонкой, в том месте, где должен находиться карбюратор. Она показывает низкое сопротивление обмотки электромагнита (до 4-5 Ом). Как же распределяется впрыск? С помощью отдельных форсунок происходит впрыск топлива во впускные трубопроводы каждого имеющегося цилиндра. Они занимают место у основания впускных трубопроводов (как правило, у корпуса головки блока цилиндров) и отличаются довольно-таки высоким сопротивлением обмоток электромагнитов (до 12-16 Ом). Он может быть и меньшим, но при условии наличия дополнительного блока сопротивлений.

Как известно, большинство современных автомобилей снабжаются системой именно распределенного впрыска топлива. Как мы уже говорили, она работает по принципу, что отдельная форсунка отвечает за свой цилиндр. Важно знать, что каждая система распределенного впрыска топлива делится на четыре разных типа:

1. Одновременный

2. Попарно-параллельный

3. Фазированный

4. Прямой

Теперь о каждом поподробнее. Одновременный тип характеризируется подачей горючего от всех форсунок системы одновременно во все цилиндры. Что ж, название говорит само за себя. Попарно-параллельный тип впрыска подразумевает парное открытие форсунок, при котором, одна открывается непосредственно пред циклом впуска, а вторая — перед циклом впуска. Главной отличительностью этого типа является применение попарно-параллельный принцип открытия форсунок в момент запуска двигателя, или же в период аварийного режима неисправности датчика положения распредвала. В период эксплуатации автомобиля, то есть во время движения, в работу включается фазированный впрыск топлива. Это тип впрыска. При котором каждый инжектор открывается перед тактом впуска. Наконец, прямой тип впрыска происходит непосредственно в камеру сгорания.

Некоторые автомобили новейшего поколения могут похвастаться подачей топлива непосредственно в камеру сгорания (это и есть непосредственный впрыск). Отличительной чертой форсунок таких двигателей является наличие высокого рабочего напряжения электромагнита, которое достигает до 100 В. Маркировки форсунок отражают фабричную, или торговую, марку либо название, а также каталожный номер, или наименование и номер серии.

Как правило, горючее подается к форсунке под определенным давлением, которое зависит от режима работы движка. Принцип действия инжектора предполагает использование сигналов микроконтроллера, который в свое время получает данные от датчиков. Поступившие на электромагнит электрические импульсы, которые исходят от блока управления, заставляют работать игольчатый клапан, который открывает и закрывает канал форсунки. Все количество топлива которое распыляется зависит от длительности импульса, которая задается непосредственно блоком управления. Если говорить о форме и направлении распыляемого факела очень важны при смесеобразовании и определяются количеством и расположением распылительных отверстий.

Как правило, если топливо впрыскивается во всеобщий трубопровод с помощью одной форсунки, то это называется системой моновпрыска. Такая система на сегодня не пользуется особым спросом среди автомобилестроителей. Большинство автопроизводств предпочитают использовать сразу две форсунки в системе впрыска.

Как ни крути, но как и любая другая система, инжекторная ситсема имеет и свои недостатки, среди которых достаточно высокая цена на узлы инжектора, низкая уровень ремонтопригодности, высокие запросы по поводу состава и качества горючего, крайняя необходимость использования специального оборудования для диагностики каких-либо поломок, и, конечно же, довольно высокие ценовые показатели стоимости ремонта.

3. Как устроена форсунка инжектора

А теперь давайте рассмотрим конструкцию форсунки, из чего же она состоит. Каждому автолюбителю известно, что подача топлива в форсунках происходит преимущественно сверху вниз. Если говорить в общих чертах, можно сказать, что форсунка состоит из одного, реже двух каналов. Как правило, по первому к выходу подходит распыляемая жидкость, а по второму проходят жидкость, пар, газ, который служит для распыления первой жидкости. Как показывает практика, чистая и качественная форсунка способна дать конусообразный распыл, а факел получается непрерывный и ровный.

Если детализировать построение форсунки, можно сказать, что она, в первую очередь состоит из корпуса. В верхней части корпуса можно отыскать так называемый гидравлический разъем, который, в свою очередь, закрепляется к топливной рампе. Благодаря наличию насоса и обратного клапана в рампе непрерывно поддерживается установленное давление горючего. Известно, что форсунка прикрепляется к топливной рампе посредством специального зажимного устройства.

Нижнюю часть форсунки занимает распылительная пластина с отверстиями для впрыскивания топлива. Для того, чтобы обеспечить герметичность соединения сверху и снизу находятся специальные уплотнительные кольца. С одной стороны форсунки находится электрический разъем, который используется для управления соленоидом форсунки. Весь основной механизм находится внутри форсунки и состоит из фильтрующей сетки, электромагнитной обмотки, седлом клапана, пружины, игольчатого клапана с якорем соленоида и запорным сферическим элементом, а также распылительной пластины. Сопло принято считать самым важным элементом форсунки.

Подписывайтесь на наши ленты в таких социальных сетях как, Facebook, Вконтакте, Instagram, Pinterest, Yandex Zen, Twitter и Telegram: все самые интересные автомобильные события собранные в одном месте.

Основные сведения о соплах

Основные сведения о соплах Вернуться на главную страницу Purdue AAE Propulsion. Вернуться на страницу с основными сведениями о турбинном двигателе.
Сопло служит для преобразования любой энергии, остающейся в потоке (после турбина) в кинетическую энергию на
понижая давление и ускоряя поток. Это приводит к тяге.

Конструкция сопла очень важна, потому что он определяет температуру на входе в турбину (и, следовательно, работу, выполняемую турбина), а также массовый расход двигателя, скорость на выходе и давление (все четыре из которых определяют тягу).

Самая простая насадка состоит из воздуховода. Воздух на выходе из турбины часто движется со скоростью более 1 Маха, но это приводит к высоким потерям на трение, поэтому поток немедленно замедляется диффузией. Вихрь турбины выходящий поток уменьшается за счет задних опорных стоек турбины, которые поворачивают поток прямой. Этот прямой поток под высоким давлением подается в сужающуюся секцию, который изменяет давление обратно на скорость. Этот поток часто перекрывается; т.е. скорость на выходе не может быть увеличена.Однако давление на выходе может быть увеличился, в результате чего давление тяги.

Для некоторых планов полета можно использовать сходящийся / расходящийся воздуховод, который проходит через точку дросселирования и увеличивает выходную скорость дальше. Это более эффективное использование энергии потока, чем давление. толкать. Иногда это наблюдается на двигателях с очень высоким давлением. соотношение.

Из-за широкого диапазона условий эксплуатации некоторые двигатели должны выдерживать, иногда бывает выгодно иметь регулируемую насадку.Чаще всего это наблюдается на двигателях с форсажными камерами, поскольку они приходится сталкиваться с очень широким спектром условий.

Насадка должна выдерживать высокую температуру и давление. Он должен быть изолирован от остальная часть самолета, либо с коротким участком изоляции, либо изоляция реактивной трубы от самолета. Сопло часто охлаждается обтекать снаружи различными способами. Насадка в целом должны иметь возможность расширяться и сжиматься при изменении температуры, без повреждений или искажение.


Вернуться на главную страницу Purdue AAE Propulsion. Вернуться на страницу с основными сведениями о турбинном двигателе.

Влияние геометрии сопла на переход критического и подкритического потока

Heliyon. 2019 Фев; 5 (2): e01273.

Джагмит Сингх

a Департамент нефтяной инженерии, Колорадская горная школа, 1500 Illinois St., Golden, CO 80401, США

Луис Э. Зерпа

a Департамент нефтяной инженерии, Колорадская горная школа , 1500 Illinois St., Golden, CO 80401, USA

Benjamin Partington

b Chevron ETC, Houston, TX, USA

Jose Gamboa

b Chevron ETC, Houston, TX, USA

a Department of Petroleum Engineering , Colorado School of Mines, 1500 Illinois St., Golden, CO 80401, USA

b Chevron ETC, Houston, TX, USA

Поступило 8 ноября 2018 г .; Пересмотрено 22 января 2019 г .; Принято 20 февраля 2019 г.

Это статья в открытом доступе по лицензии CC BY-NC-ND (http: // creativecommons.org / licenses / by-nc-nd / 4.0 /).

Abstract

Геометрия сужающихся-расходящихся сопел влияет на условия, при которых происходит переход от критического к докритическому потоку. Целью этой работы является разработка руководящих принципов для определения оптимальной геометрии сопла, которая максимизирует критическое отношение давлений при минимальном падении давления на сопле. Эксперименты проводились на установке с трубопроводами из ПВХ с внутренним диаметром 1,5 дюйма и боковым участком трубопровода длиной 30 футов. Всего было протестировано 27 сопел различной геометрии, разделенных на две группы — конические и параболические сопла.Форсунки из групп форсунок ASTAR, Deich, LJ и Moby Dick показали улучшенные характеристики по сравнению с другими группами форсунок. Было определено, что меньший угол расхождения и отсутствие удлиненного горловины приводят к более высокому критическому перепаду давлений. Длина сходящейся и расходящейся секций сопел не так сильно влияла на характеристики сопла, как диаметр горловины и форма сходящихся и расходящихся секций.

Ключевое слово: Машиностроение

1.Введение

Сопло — это устройство Вентури, которое при достаточном давлении на входе и условиях потока может привести к закупорке потока в его горловине. Сопла используются в различных отраслях промышленности для различных целей, таких как ускорение потока для распыления жидких фаз, в составе форсунок для увеличения кинетической энергии и для подачи газа в ракетные двигатели, в скважинах для добычи природного газа для увеличения скорости газа, среди многих других. Геометрия сопла играет очень важную роль в достижении условий дросселирования потока.В большинстве случаев важно оптимизировать конструкцию сопла, чтобы минимизировать падение давления из-за увеличения скорости в горловине сопла.

Сопла состоят из трех разных секций — сужающейся секции, горловины и расходящейся секции, как показано на. Точка, в которой диаметр сопла наименьший, называется горловиной. Горло может быть как одноточечным, так и удлиненным. Участок перед горловиной является сужающимся участком, а участок после горловины — расходящимся участком.Площадь сужающейся секции уменьшается по мере того, как профиль сопла идет от трубы к началу горловины. Площадь расходящегося сечения увеличивается по мере того, как профиль сопла идет от конца горловины к трубе.

Схема сходящегося-расходящегося сопла с указанием различных секций типичного сопла (Clarke and Carswell, 2007).

Характеристики потока жидкости через сопла также зависят от типа жидкости, протекающей через сопло. Безразмерное число Маха M, которое представляет собой отношение скорости жидкости к скорости звука в окружающей среде, можно рассчитать, чтобы определить, является ли поток сжимаемым (M> 0.2) или несжимаемый (M <0,2). В этой работе сжимаемый поток рассматривается при использовании воздуха в качестве рабочего тела. Скорость потока увеличивается по мере поступления жидкости в сопло, пока не будет достигнута горловина сопла. В этой точке поток дозвуковой (т. Е. M <1). Как только жидкость протекает через горловину, при достаточном давлении на входе и условиях расхода, скорость жидкости может стать равной скорости звука, достигая звуковых условий (т. Е. M = 1). Когда жидкость выходит из горловины, попадая в расширяющуюся секцию, скорость жидкости увеличивается, превышая скорость звука, достигающего сверхзвукового потока (т.е.е. M> 1). Это происходит потому, что когда воздух проходит через расширяющуюся часть сопла, увеличивается кинетическая энергия за счет падения энтальпии из-за расширения газа.

Целью использования сопла является ускорение потока для достижения критических или звуковых условий (т. Е. Дросселирования потока) в его горловине. Это происходит, когда разность давлений на входе и выходе из сопла увеличивается. При определенном перепаде давления расход через сопло для данного размера горловины достигает максимума, и число Маха становится равным 1.Любое дальнейшее увеличение перепада давления не приводит к увеличению расхода. За точкой, где скорость потока перестает увеличиваться, говорят, что поток перекрывается. Как только это произойдет, любые возмущения, возникающие ниже по потоку от горловины, с точки зрения изменений давления, не повлияют на поток выше по потоку.

Характеристики форсунки количественно оцениваются на основе критического перепада давления и перепада давления на форсунке. Степень критического давления — это наименьшее отношение давления на выходе к давлению на входе (P d / P и ), когда поток перекрывается.Ниже этого перепада давления расход становится докритическим. Оптимальная геометрия сопла — это такая, при которой поток с дросселированием достигается при большем значении критического отношения давлений по сравнению с соплами других геометрий. Это связано с более высоким восстановлением давления, когда жидкость выходит из горловины сопла и проходит через расширяющуюся секцию, сводя к минимуму перепад давления на сопле.

В этой работе изучается влияние геометрических параметров, таких как форма сужающейся и расходящейся части, длина горловины, а также угол схождения и сужения сопла на характеристики сопел.В предыдущих исследованиях основное внимание уделялось оценке характеристик сопла путем изменения некоторых из вышеупомянутых параметров. Алмейда (2015) исследовал влияние параметров сопла (угол расхождения, длина горловины и форма расширяющейся части) на характеристики сопла. Базовая конструкция исследуемого сопла включала выпуклый сходящийся участок и линейно расходящийся участок. В этой работе сделан вывод о том, что больший угол расхождения, большая длина горловины и форма секции диффузора оказывают значительное и пагубное влияние на характеристики сопла (Almeida, 2015).Park et al. (2001) провели исследование, которое также показало, что более высокие углы расхождения приводят к снижению производительности сопла. Рассматриваемая форма сопла имела выпуклое сходящееся сечение и линейно расширяющееся. Выводы, сделанные в результате этого исследования, согласуются с выводами, сделанными в этой статье (Park et al., 2001).

В обоих упомянутых выше исследованиях форма сопла осталась прежней. Никакие другие формы не тестировались, чтобы определить, могут ли другие повысить производительность сопла. Целью данной работы является проведение экспериментального анализа сопел различной геометрии и определение влияния геометрических параметров и форм на характеристики сопла.Кроме того, на основе собранных экспериментальных данных определяется оптимальная конструкция сопла. Оптимальная конструкция сопла — это такая конструкция, которая максимизирует критическое отношение давлений при минимальном падении давления на сопле.

2. Конструкция

Чтобы создать матрицу сопел различной геометрии и формы, мы провели обзор сопел, применяемых в таких отраслях, как аэрокосмическая, сельскохозяйственная, ядерная и нефтяная. На основании этого исследования форсунки можно разделить на две основные формы: конические и параболические.

Коническое сопло или сужающееся-расширяющееся сопло имеет сужающуюся вниз линейную входную площадь, площадь поперечного сечения которой уменьшается по профилю до достижения диаметра горловины, а затем имеет сужающуюся вверх линейную выходную площадь, где пересекается поперечное сечение -площадь сечения увеличивается по профилю (). Угол, под которым впускной патрубок сужается, называется углом схождения (β). Угол, под которым выпускное отверстие сужается, называется половинным углом расхождения (α). Диаметр самой маленькой точки сопла называется диаметром горловины (D t ).

Половина угла конуса не должна превышать 15 °, чтобы избежать внутренних потерь потока в сопле (Östlund, 2002). Согласно Барберу, значение половины угла расхождения конуса должно составлять от 2 до 12 ° (Barber and Schultheiss, 1967). Ограниченные исследования дают окончательное значение или диапазон угла схождения, но обычно он составляет около 45 °. Изменение угла схождения, возможно, не имеет такого большого влияния, как полуугол схождения, потому что поток все еще является дозвуковым в области сужения сопла.Однако другая форма сужающейся секции может повлиять на падение давления в сопле.

Исходя из этих соображений, в данном исследовании рассматриваются три различные конфигурации конических сопел:

  • 1.

    Конвергентно-расходящееся сопло: Это базовое сопло де Лаваля без удлиненного горловины, которое используется во многих приложениях. такие как паровые турбины и ракетные двигатели.

  • 2.

    Модифицированное сужающееся — расходящееся сопло: Конструкция этого сопла включает удлиненное горло.В техническом отчете НАСА «Ускорение жидкостей в двухфазных соплах» было определено, что длина горловины влияет на характеристики сопла (Elliot and Weinber, 1968).

  • 3.

    Двойное сужающееся сопло: Конструкция двойного сужающегося сопла была получена из патента на инжектор сжиженного газа в индустрии струйной техники (Попов, 2002). Он имеет две последовательные сужающиеся секции с уменьшающимся углом схождения.

Параболическое сопло (на основе формы сопла Рао) имеет круглую сужающуюся часть и параболическую расширяющуюся часть ().Точка, от которой начинается параболическая расширяющаяся часть, называется углом сопла (θ n ). Угол, образованный на конце сопла, называется выходным отверстием сопла (θ e ). Радиус круглого сужающегося участка в 1,5 раза больше радиуса горловины. Эта область продолжается, пока не достигнет горла. Как только профиль горловины заканчивается, создается еще один круг радиусом 0,382 радиуса горловины. Наклон параболической кривой касается точки перегиба (θ n ), где пересекаются расходящаяся кривая и параболическая кривая (Кульханек, 2012).Затем в определенный момент создается парабола в форме колокола, которая составляет большую часть расходящейся части.

Базовая конструкция и переменные для параболического сопла (Изменено из Raiano, 2013 г.).

Это экспериментальное исследование рассматривает следующие восемь конструкций параболической формы:

  • 1.

    Сопло Rao: Сопло Rao широко используется в аэрокосмической промышленности для выпуска выхлопных газов, выходящих из газовой камеры. Основная причина создания этого сопла заключалась в том, чтобы получить сопло с более высокими характеристиками и меньшей длиной.Обычно это около 80% длины сопла де Лаваля.

  • 2.

    Модифицированная форсунка Рао : Это форсунка Рао, модифицированная для включения удлиненной горловины для наблюдения за влиянием длины горловины.

  • 3.

    Сопло с двойным колпаком: Сопло с двойным колпаком было разработано в аэрокосмической промышленности, чтобы сделать их ракеты более эффективными в условиях большой высоты. Но поскольку в этом проекте высота сопла не будет изменяться, это сопло будет проверяться только для того, чтобы отметить влияние использования этого контура на поток жидкости.Этот тип сопла имеет две расходящиеся параболические секции вместо одной, как у сопла Рао (Nürnberger-Genin and Stark, 2009).

  • 4.

    Сужающееся выпуклое сопло: Конструкция сужающегося выпуклого сопла была получена из патента на инжектор сжиженного газа в индустрии струйной техники. Это сопло имеет выпуклое круглое сужающееся сечение (Попов, 2002).

  • 5.

    Сужающееся вогнутое сопло: Конструкция сужающегося вогнутого сопла была получена из патента на инжектор сжиженного газа в области струйной техники.Это сопло имеет вогнутую круглую сужающуюся часть, которая простирается до радиуса входа (Попов, 2002).

  • 6.

    Сопло Моби Дика: Это сопло было разработано в атомной промышленности в рамках французского кодекса ядерно-термической гидравлики. Испытания, проведенные в ходе этого исследования, были проведены для изучения двухфазных критических условий потока таких форсунок (Bestion, 1990). Это сопло представляет собой смесь как круглой, так и конической формы. Сужающаяся часть имеет круглую выпуклую форму, а расходящаяся часть является линейной.

  • 7.

    Сопло ASTAR: Это сопло было разработано в рамках «Проекта ASTAR», осуществляемого Европейским Союзом (Staedtke et al., 2005). Это сопло сходящегося и расширяющегося типа, за исключением того, что его контур более параболический по сравнению с соплом де Лаваля. Сужающаяся часть этого сопла разделена на две части: начало сопла представляет собой круглую часть выпуклой формы, за которой следует круглая часть вогнутой формы. Расходящаяся часть — парабола.

  • 8.

    Сопло Deich: Сопло Deich также является соплом де Лаваля, за исключением того, что его сходящаяся часть является круглой, а ее расходящаяся часть — параболической. Еще одно отличие этого сопла — небольшой расходящийся угол 8 ° (Ashwood and Higgins, 1957).

  • 9.

    Сопло LJ: Сопло LJ было создано в рамках этой работы после тестирования 26 геометрических форм сопел на однофазной горизонтальной установке. Эта геометрия очень похожа на одну из геометрий сопла ASTAR, за исключением того, что она имеет более длинную расширяющуюся секцию (на 40% длиннее расширяющаяся секция по сравнению с форсункой ASTAR 1).

Несколько физических геометрических параметров и переменных испытаний могут повлиять на работу сопла, в том числе:

  • • Коэффициент расширения, который представляет собой отношение площади выхода к площади горловины
  • • Коэффициент сжатия, который представляет собой отношение зона впуска к зоне горловины
  • • Отношение длины горловины к диаметру горловины
  • • Соотношение давлений на выходе и на входе
  • • Теплопередача
  • • Угол расхождения

3.Методология

Конструкция сопла является важным компонентом этого экспериментального исследования. Особое внимание было уделено конструкции и конструкции всех форсунок. Это включало расчет соответствующего размера горловины сопла, который приведет к критическому потоку для условий, имеющихся в лаборатории, создание экспериментальной матрицы различных конфигураций сопла, а также создание 3D-чертежей и 3D-печатных моделей. Наконец, была спроектирована и построена установка для испытания горизонтальных сопел.

На испытательном стенде были доступны следующие условия:

  • • Макс. расход воздуха = 74 кубических футов в минуту
  • • Макс. давление воздуха = 80 фунтов на кв. дюйм

Исходя из этих условий, размер горловины 0,25 дюйма был выбран для всех конструкций сопел, чтобы гарантировать, что переход от критического к докритическому потоку может быть определен во время экспериментальной процедуры.

Чтобы определить влияние конструктивных параметров сопла, таких как угол схождения, угол расхождения и длина горловины, на характеристики сопла, была создана экспериментальная матрица, которая будет включать конструкции сопел с различными параметрами.Всего было рассмотрено 49 конфигураций форсунок, но после первоначального тестирования было определено, что некоторые формы форсунок не работают так же хорошо, как другие. Таким образом, экспериментально протестировано всего 27 форсунок. представлены конструктивные параметры испытанных форсунок. Рис. и показать основные испытанные геометрические формы конического и параболического сопла.

Таблица 1

Расчетные параметры и схемы испытанных форсунок.

(дюймы) 0,00 90.70 9028 0,00 9027 9027 9027 9027 9027 9027 5,38
Тип сопла Название Номер сопла Угол схождения (°) Угол расхождения (°) Длина конвергенции (дюймы) Длина горловины (дюймы) Расходимая длина
Коническая Сопло группы 1 2 45 8 0.63 0,00 3,82
3 45 12 0,63 0,00 2,92
4 45 10 Сопло группы 2 1 45 8 0,63 0,50 4,45
2 45 8 0,63 1.75 4,45
Сопло группы 3 1 84 8 0,56 0,00 4,44
Параболическое 9028 9028 9028 9027 9027 9027 9027 0,00 1,87
3 45 60 0,70 0,00 1,87
4 45 90 0,00 2,01
5 45 45 0,70 0,00 1,87
Модифицированная насадка Rao 3 3 1,87
7 45 60 0,70 0,50 1,87
8 45 60 0,70 1,70 75 1,87
Сопло с двойным колоколом 1 45 30/30 0,70 0,00 1,63
Сопло выпуклое 9027 0,40 1,87
Форсунка вогнутая 1 40 30 1,34 0,50 1,87
2 4034 0,50 1,87
Сопло Моби Дика 1 45 7 1,17 0,50 0,59
4527 9027 9027 9027 9027 9027 9027 1,76
2 45 12 0,94 0,50 0,59
Сопло ASTAR 1 30 1 9027.15 0,00 2,22
2 30 10 1,15 0,00 2,37
3 30 15 Сопло Deich 1 36 8 1,67 0,00 2,08
2 36 8 1,67 0.50 1,25
3 36 8 1,67 1,75 1,25
LJ сопло 1 30 3 30 3 30

Конические сопла — (a) сопло группы 1, (b) сопло группы 2, (c) сопло группы 3.

Параболические форсунки — (a) форсунка Rao, (b) модифицированная форсунка Rao, (c) форсунка Dual Bell, (d) конвергентная выпуклая форсунка, (e) конвергентная вогнутая форсунка, (f) форсунка Moby Dick, (g) ASTAR сопло, (h) сопло Deich, (i) сопло LJ.

Конструкции основных профилей этих форсунок были созданы с использованием линейных, параболических и круговых расчетных уравнений. 3D-чертежи, необходимые для 3D-печати, были созданы в Solidworks. Для создания физических моделей сопел использовался 3D-принтер Stratasys Eden 260 VS (). В качестве материала для 3D-печати использовалась смола Vero White Resin. Порты давления были включены в конструкцию корпуса сопла в разных местах для записи профиля давления вдоль сопла. Датчики давления были подключены к этим портам во время экспериментальной фазы.Количество портов для датчиков давления варьировалось в зависимости от доступного пространства на корпусе форсунки. Отверстия и резьба были спроектированы таким образом, чтобы соответствовать датчикам давления 0,25 дюйма и герметизировать отверстия. Оба конца корпуса форсунки состояли из секций, которые можно было приклеить к соединениям из ПВХ с внутренним диаметром 1,5 дюйма.

3D Печатная модель параболической выпуклой насадки.

4. Контрольно-измерительные приборы

Построена горизонтальная установка для испытания однофазного потока через сопло (). Форсунка установлена ​​на 1.Труба из ПВХ с внутренним диаметром 5 дюймов. На трубопроводах установлены датчики давления и температуры. Всего было установлено 10 датчиков давления Rosemount (PT) и 3 датчика температуры Rosemount (TT). Один ПТ и ТТ был установлен сразу после точки закачки газа для определения давления и температуры, при которых газ поступал в систему. Датчики давления и температуры были установлены перед и после сопла для определения перепада давления и температуры на сопле.На сопло устанавливалось не более семи ПТ (в зависимости от геометрии сопла). После воздухозаборника был установлен воздушный бак, чтобы получить дополнительный объем воздуха для проведения экспериментов при более высоких давлениях на входе. Перед соплом был установлен вихревой расходомер для измерения расхода газа. В составе установки были установлены два регулирующих клапана: один регулирующий клапан использовался для регулирования давления газа на входе, а второй регулирующий клапан был установлен в конце трубопровода для регулирования противодавления.Во время испытания форсунок воздух нагнетается из компрессора в систему трубопроводов. Этот воздух выбрасывается в атмосферу в конце трубопровода.

Однофазный горизонтальный испытательный трубопровод.

ПТ, ТТ, расходомеры и регулирующая арматура подключены к системе автоматизации (система DeltaV). Эта распределенная система управления использовалась для управления конфигурацией клапанов и записи данных с датчиков, подключенных к системе.

При проведении испытаний однофазных горизонтальных сопел выполнялась следующая процедура:

  • • Воздух подавался на входную часть трубопровода и в воздушный бак.
  • • Газовый регулирующий и обратный клапаны были открыты на 100%.
  • • Поток стабилизировался, подождав 30 минут.
  • • Затем обратный клапан закрывался на 10% каждые 5 минут до тех пор, пока расход газа на входе не начал уменьшаться. Затем обратный клапан открывался или закрывался до тех пор, пока не была определена критическая точка (точка, где расход газа на входе больше не был постоянным).
  • • Подача воздуха была отключена, и данные были записаны из системы сбора данных DeltaV.

5. Результаты и обсуждение

Давление на входе и выходе, а также расход газа на входе были измерены для определения перехода между критическим и докритическим потоком и для определения относительной производительности испытанных сопел. Используя эти значения, были рассчитаны соотношение давлений на выходе и входе (P d / P и ) и перепад давления на сопле (P и -P d ). Степень критического давления определялась по графику зависимости расхода газа на входе от потока.Соотношение давлений на входе и выходе (). Последняя зафиксированная точка, в которой скорость потока газа выше по потоку была стабильной, была выбрана в качестве критического отношения давлений (показано черной стрелкой на). Расход критичен для более низких отношений давления и докритичен для более высоких отношений давления. показывает падение давления, степень критического давления, давление на входе и расход газа на входе для всех форсунок, испытанных при переходе между критическим и докритическим потоком.

Определение критического перепада давлений — точка перехода от критического к докритическому расходу.

Таблица 2

Результаты экспериментов с однофазным горизонтальным потоком.

9027 2
Сопло Падение давления, dP (psi) Критическое отношение давлений, P c (-) Давление на входе, P u (psi) Расход газа на входе, Q u, г (куб. фут / мин)
Коническая Группа 1 Сопло 2 13,1 0,30 18,7 12.9
Форсунка 3 15,6 0,24 20,6 12,6
Форсунка 4 15,4 0,36 24,1 9027 Группа 9027 0,34 23,6 12,4
Сопло 3 18,4 0,45 30,0 9,8
Группа 3 9271
0,57 21,8 13,0
Параболический Рао Белл Сопло 1 11,6 0,18 15,1 16,6
16,6 9027 12,7
Сопло 4 12,8 0,31 16,6 13,0
Сопло 5 13,6 0,44 24.3 12,3
Модифицированный Rao Bell Сопло 3 17,4 0,21 22,0 11,9
Сопло 7 20,0 8 18,3 0,44 24,3 10,2
Dual Bell Сопло 1 12,7 0,43 22,4 12.7
Выпуклый колокол Форсунка 1 15,1 0,41 25,6 11,8
Вогнутый колокол Форсунка 1 21,0 21,0 16,4 0,28 22,9 11,4
ASTAR Сопло 1 6,0 0,75 23,8 12.3
Форсунка 2 9,8 0,58 21,2 12,9
Форсунка 3 10,2 0,48 19,6 9027 D1 9027 9027 9027 D 1 0,49 21,9 11,9
Сопло 2 14,5 0,34 22,0 11,7
Сопло 4 13.4 0,50 26,3 10,1
Deich Сопло 1 12,3 0,53 25,9 11,5
9027 9027 9028 9027 9027 9027 9027 9027 9027 9027 9027 9027 9027 9027 9027
Сопло 3 14,9 0,56 33,8 9,2
LJ Сопло 1 7,9 0,65 22.2 12,0

Относительная производительность сопла была оценена на основе двух показателей производительности: критического перепада давления и падения давления на сопле. На основе этих двух параметров представлены два отдельных рейтинга: один для уменьшения степени перепада давления, а другой — для увеличения падения давления. Таким образом было замечено, что форсунки с высоким отношением критического давления не обязательно имели наименьший перепад давления. Исходя из этого, можно отметить, что четыре группы форсунок работали лучше всего, когда принимались во внимание оба критерия — ASTAR, Deich, Moby Dick и LJ.Форсунки этих геометрических конфигураций считаются оптимальной геометрией. Из этой оптимальной геометрии наиболее оптимальной была форсунка ASTAR 1, она имела самый высокий коэффициент критического давления и самый низкий перепад давления.

Таблица 3

Рейтинг производительности форсунок на основе критического перепада давления и перепада давления.

9025 Группа Форсунка 1
Форсунка Ранг — перепад давления Ранг — критическая степень давления
Коническая Группа 1 Форсунка 2 12 21
23
Форсунка 4 19 16
Группа 2 Форсунка 1 21 18
Форсунка 3 25 3 4
Параболическая Рао Белл Форсунка 1 7 27
Форсунка 3 15
20
Сопло 5 14 12
Модифицированный Rao Bell Noz zle 3 23 26
Форсунка 7 26 24
Форсунка 8 24 13
Колокол 9028 1
Выпуклый колокол Сопло 1 18 15
Вогнутый колокол Сопло 1 27 25
Сопло 2 22 9027 Сопло 1 1 1
Сопло 2 4 3
Сопло 3 1
Moby Dick Сопло 1 6 9
Сопло 2 16 17
Сопло 4 13 8
Deich
Deich 7 1
Сопло 2 9 6
Сопло 3 17 5
LJ 2

Чтобы понять, почему некоторые геометрии сопла работают лучше, чем другие, были изучены показания давления, записанные в разных местах сопла.Поскольку на каждом сопле было разное количество PT, для последовательного анализа данных площадь сопла была разделена на четыре области, и для каждой области были выбраны единичные показания давления. Первая область включает область от трубы до сходящейся секции, вторая область включает область от сходящейся секции до горловины до начала расходящейся секции, третья область включает область от начала расходящейся секции до конца расходящейся секции и Четвертая область включает область от конца расходящейся секции до области трубы.Кроме того, поскольку в экспериментах давление на входе незначительно менялось, давления в каждой области были нормированы на давление на входе (то есть отношение давления области к давлению на входе) для анализа.

показывает, как нормализованное давление (отношение давлений) в каждой области изменяется через сопло. Из этого рисунка можно отметить, что область, которая оказывает наибольшее влияние на поведение перепада давления, — это область 2, которая включает в себя горловину. Следовательно, форма области непосредственно перед горловиной, горловины и формы области сразу после горловины играет важную роль в определении падения давления на сопле.

Коэффициент падения давления на сопле для испытаний однофазного горизонтального потока.

Фиг. и показать профиль соотношения давлений по мере того, как он изменяется с потоком через сопло для оптимальной геометрии и неоптимальной геометрии, соответственно. Есть две основные причины, по которым некоторые геометрические формы работают лучше, чем другие: 1) величина падения давления в области 2, 2) восстановление давления в области 3 и области 4. По этим причинам может наблюдаться резкое различие в оптимальной и неоптимальной геометрии. считаются.В случае оптимальной геометрии перепад давления в области 2 ниже, чем в неоптимальной геометрии. Диапазон перепада давления в области 2 (сразу после горловины) для оптимальной геометрии составляет от 0,40 до 0,58. В случае неоптимальной геометрии диапазон составляет 0,15–0,39. Наряду с этим можно также наблюдать, что давление обычно восстанавливается в случае оптимальной геометрии. Это приводит к более низкому общему падению давления на сопле и более высокой критической точке. Для неоптимальных сопел скорость все еще высока в областях 3 и 4, и в результате восстановление давления не происходит.Это приводит к более высокому падению давления на сопле и более низкой критической точке.

Изменение степени падения давления на сопле для оптимальной геометрии.

Изменение степени перепада давления на сопле при неоптимальной геометрии.

На основании полученных результатов эффект увеличения углов расхождения, удлинения горловины и увеличения общей длины сопла можно наблюдать среди различных групп сопел. Влияние этих параметров будет обсуждаться ниже для основных конических и параболических форм сопел, поскольку подгруппы этих сопел следовали аналогичным схемам.

Путем анализа данных по соплам конической группы 1 был определен эффект изменения угла расхождения в коническом сопле. Были испытаны три различных сопла с углами расхождения 8 °, 10 ° и 12 °. показывает результаты этих тестов. Можно отметить, что сопло с наивысшей степенью критического давления — это сопло с углом расхождения 10 °, за которым следуют 8 ° и 12 °. Как правило, при увеличении угла расхождения наблюдается снижение производительности. Аналогичная тенденция наблюдается в соплах Моби Дика, у которых расходящееся сечение имеет коническую форму.

Влияние различных углов расхождения на характеристики сопел конической формы.

Анализируя данные по соплам конической группы 2 и группы 1, можно определить влияние удлиненной длины горловины в конической насадке. Были испытаны три разных сопла с длиной горловины 0 дюймов, 0,5 дюйма и 1,5 дюйма и одинаковым углом расхождения 8 °. показывает результаты этого теста. Более длинное и удлиненное горло привело к более высокому критическому давлению. Однако, поскольку скорость воздуха выше при большей длине в соплах с более крупными удлиненными горловинами, падение давления на трение через сопло выше.Это приводит к более высокому перепаду давления на сопле. Следовательно, более длинное удлиненное горло не идеально для оптимальной работы. Аналогичные тенденции наблюдаются и в форсунках Moby Dick.

Влияние различной длины горловины на характеристики сопел конической формы.

Анализируя данные форсунок Rao, можно определить эффект изменения углов расхождения в параболическом форсунке без удлиненного горловины. Были испытаны три различных сопла с углами расхождения 45 °, 60 ° и 90 °.показывает результаты этих тестов. Можно отметить, что, как и в случае конических форсунок, форсунка с наименьшим углом расхождения давала самый высокий критический перепад давления. При увеличении угла расхождения наблюдается потеря производительности сопла. Аналогичные тенденции наблюдаются и в форсунках ASTAR. Для параболических форсунок с удлиненным горлом характеристики форсунки повышаются при увеличении угла расхождения. Такие тенденции можно наблюдать в форсунках Modified Rao и Concave Bell.

Влияние различных углов расхождения на характеристики сопел параболической формы.

Анализируя данные модифицированных форсунок Rao и Rao, можно определить влияние различной длины удлиненного горловины в параболическом сопле. Были испытаны два разных сопла с длиной горловины 0 дюймов и 1,5 дюйма и углом расхождения 60 °. показывает результаты этих тестов. Характеристики сопла с точки зрения критического отношения давлений возрастают с увеличением длины горловины, но, как и в случае конических сопел, перепад давления на сопле также увеличивается с увеличением длины горловины.Аналогичную тенденцию можно наблюдать в трех соплах Дейха, однако влияние длины горловины в этом случае не слишком велико, поскольку критическое отношение давлений для всех трех сопел очень близко друг к другу.

Влияние различной длины горловины на характеристики сопел параболической формы.

Анализируя результаты для сопла ASTAR 1 и сопла LJ 1, можно определить влияние общей длины сопла на характеристики сопла. Оба имеют схожую геометрию прямо перед и сразу после горловины, за исключением того, что сопло LJ длиннее по сравнению с соплом ASTAR.показывает результаты этого теста. Можно заметить, что критическое отношение давлений для обоих сопел очень похоже. Единственная разница в производительности состоит в том, что сопло LJ имеет немного больший перепад давления на сопле.

Влияние длины сопла на производительность сопла.

Наличие датчиков давления вдоль корпуса форсунки влияет на производительность форсунки. Когда жидкость движется через сопло, преобразователи делают поток более турбулентным, что приводит к более высокому перепаду давления на сопле и более низкому критическому отношению давлений.Чтобы определить влияние этой турбулентности, были испытаны три сопла без установленных на них датчиков давления. Степень критического давления в среднем снизилась на 0,06, а перепад давления на сопле увеличился на 2,5 фунта на квадратный дюйм из-за наличия датчиков давления.

6. Выводы

Эксперименты с однофазным сжимаемым потоком были выполнены для определения оптимальной геометрии сопла, которая максимизирует степень критического давления и минимизирует перепад давления на сопле.Путем тестирования 27 различных геометрических форм сопла полученные данные были проанализированы для определения влияния геометрических параметров сопла на характеристики сопла. На основании экспериментального исследования можно сделать следующие выводы:

  • • Геометрия сопла действительно оказывает значительное влияние на характеристики сопла. Влияние однофазного потока воздуха через сопло выявило влияние различных параметров сопла на его работу. Меньший угол расхождения и отсутствие удлиненного горловины обеспечили наилучшую степень критического давления и низкий перепад давления.Длина сопла не так сильно влияла на характеристики, как форма сопла непосредственно перед и после горловины. Форма расходящейся части важна для восстановления давления.
  • • По результатам, конфигурация форсунок ASTAR оказалась наиболее оптимальной. В частности, геометрия сопла 1 ASTAR показала наилучшие результаты, так как у него был самый высокий клапан отношения критического давления и самый низкий перепад давления. Эта геометрия имела угол расхождения 3 °, параболическую расходящуюся секцию, отсутствие удлиненного горловины и выпуклую и вогнутую сходящуюся секцию.

Заявления

Заявление автора о вкладе

Джагмит Сингх: Провел эксперименты; проанализировали и интерпретировали данные; написал газету.

Луис Зерпа: задумал и разработал эксперименты; проанализировали и интерпретировали данные; написал газету.

Бенджамин Партингтон, Хосе Гамбоа: задумал и разработал эксперименты; Проанализировал и интерпретировал данные.

Отчет о финансировании

Эта работа была поддержана Chevron ETC.

Заявление о конкурирующих интересах

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Дополнительная информация

Дополнительная информация по данной статье недоступна.

Благодарности

Авторы хотели бы выразить огромную признательность компании Chevron за оказанную им ценную техническую поддержку на протяжении всего проекта.

Список литературы

  • Almeida A.R. некоторые аспекты конструкции газлифтных клапанов Вентури. SPE Prod.Опер. 2015; 30 [Google Scholar]
  • Эшвуд П.Ф., Хиггинс Д.Г. Совет по аэронавигационным исследованиям. C.P. № 325; 1957. Влияние расчетного отношения давлений и угла расхождения на тягу сходящихся-расходящихся форсунок. [Google Scholar]
  • Барбер Р.Э., Шультайс М.Дж. Влияние геометрии сопла на неконструктивные характеристики импульсных турбин с частичным впуском. Выключенный. Naval Res. 1967: 49–52. PR010-04-01. [Google Scholar]
  • Bestion D. Законы физического закрытия в коде CATHARE.Nucl. Англ. Des. 1990; 124: 229–245. [Google Scholar]
  • Кларк К.Дж., Карсвелл Б. Издательство Кембриджского университета; Кембридж, Великобритания: 2007. Принципы астрофизической гидродинамики. [Google Scholar]
  • Эллиот Д.Г., Вайнбер Э. Лаборатория реактивного движения; Пасадена, Калифорния: 1968. Ускорение жидкостей в двухфазных соплах; С. 16–34. [Google Scholar]
  • Кульханек С.Л. Канзасский университет; Лоуренс, Канзас: 2012. Проектирование, анализ и моделирование ракетной двигательной установки. Магистерская диссертация. [Google Scholar]
  • Нюрнбергер-Генин К., Старк Р. Переход потока в соплах с двойным колпаком. Ударные волны. 2009; 19: 265–270. [Google Scholar]
  • Эстлунд Дж. Королевский технологический институт; Стокгольм: 2002. Процессы течения в соплах ракетных двигателей с акцентом на разделение потоков и боковые нагрузки. Магистерская диссертация. [Google Scholar]
  • Park K.A., Choi Y.M., Choi H.M., March Оценка критических отношений давления звуковых сопел при низких числах Рейнольдса. Flow Meas. Instrum. 2001; 12: 37–41. [Google Scholar]
  • Попов С.А. 2002.Эжектор жидкость-газ с усовершенствованным жидкостным соплом и варианты. Публикация патентной заявки США, US20020079384A1. [Google Scholar]
  • Raiano M. 2013. Rocket Engines, 21 ноября 2013 г. http://www.aerospacengineering.net/? P = 1241 [Google Scholar]
  • Staedtke H., Franchello G., Worth B. Advanced средства моделирования трехмерного двухфазного потока для приложений безопасности реакторов (ASTAR) Nucl. Англ. Des. 2005; 235: 379–400. [Google Scholar]
  • Саттон Г., Библарц О.Wiley; 2001. Элементы силовой установки ракеты. [Google Scholar]

Типичная геометрия сопла. | Скачать научную схему

Контекст 1

… микродвигательная установка — это простая продувочная система ракетного двигателя, состоящая из подруливающего устройства и системы подачи топлива, а также резервуара для хранения топлива. Хранилище топлива состоит из камеры с восемью генераторами холодного газа для пополнения резервуара азотом при необходимости. Эта технология генераторов холодного газа разработана TNO [1].Подруливающее устройство и система питания подключены к камере статического давления и состоят из клапана, сажевого фильтра, датчика давления и сопла [2]. В двигательной установке сопло в основном используется для увеличения скорости выхлопа. Чем выше эффективная скорость на выходе, тем больше тяги создается при том же количестве выталкиваемой массы и, следовательно, увеличивается эффективность. Для формирования двух микроспутников с регулируемым расстоянием между ними требуется сопло, создающее тягу порядка 1–10 мН [3].Типичная форма сопла де Лаваля показана на рисунке 1. Дозвуковой поток входит в сужающуюся часть сопла и становится сверхзвуковым в горловине сопла. Далее газ ускоряется в расширяющейся части сопла до тех пор, пока он не будет вытеснен через выходное отверстие сопла. Ранее форсунки изготавливались по микросистемной технологии. Можно выделить два типа сопел MST: экструдированное сопло 2D и коническое сопло 3D. Байт и др. Изготовили двухмерные экструдированные сопла методом глубокого реактивного ионного травления [4].Форсунки, изготовленные с помощью этой техники травления, ограничены по своей геометрии экструдированными формами, и поэтому эффективность этих форсунок низкая по сравнению с трехмерным коническим вариантом. В этой статье мы сосредоточимся на изготовлении трехмерного конического сходящегося-расходящегося сопла. Чтобы обеспечить интеграцию с другими частями двигателя и системы питания MST, сопло должно быть выполнено из силикона или стекла. Важными параметрами сопла являются (i) контроль профиля, (ii) шероховатость поверхности и (iii) симметрия [14].(i) Наиболее важными аспектами профиля сопла являются диаметр горловины и выходного отверстия, а также половинный угол (α) расширяющейся колоколообразной части сопла. Площадь горловины определяет массовый расход через сопло, а соотношение между площадью горловины и площадью выхода определяет скорость на выходе и давление на выходе выхлопного потока. Для получения необходимой тяги диаметр горловины должен составлять от 50 до 300 мкм, в зависимости от давления на входе и степени расширения. Расширяющаяся часть сопла имеет половинный угол (α) между 15 ◦ и 20 ◦.Угол сужающейся части (β) сопла обычно составляет 30 ◦, но менее важен для рабочих характеристик. Обычно радиус кривизны (r t) горловины равен диаметру горловины. Горловина сопла с острым углом расширяет пограничный слой жидкости, уменьшая создаваемую тягу. (ii) Разделение потока и образование скачка уплотнения в сопле значительно ухудшают характеристики сопла. Чтобы этого не произошло, шероховатость боковины должна быть минимальной, особенно в области горла.Шероховатость боковой стенки также увеличивает пограничный слой жидкости, снижая производительность. (iii) Другой важный вопрос — это симметрия сопла относительно вектора тяги. Система ориентации позволяет спутнику выровнять микродвигатель по вектору его скорости. Такая система управления состоит из датчиков для определения положения спутника, т. Е. Магнитометра, солнечного датчика и / или гироскопа, и приводов для изменения положения, т. Е. Магнитных крутящих моментов и / или реактивных колес.Для группового полета достаточно только одного двигателя малой тяги, который расположен таким образом, чтобы вектор тяги проходил через центр масс спутника. Несоосность вектора тяги приводит к возмущающему моменту, действующему на спутник, который должен корректироваться системой ориентации. Позиционирование вектора тяги сопла относительно центра масс спутника должно производиться с высокой точностью. Чтобы сделать эту задачу центровки как можно более простой, поскольку она достаточно сложна, вектор тяги должен быть точно под прямым углом к ​​плоскости выхода сопла.Изучаются три потенциальных технологии изготовления конического сужающегося-расширяющегося сопла со своими типичными характеристиками. Первый метод — это глубокое реактивное ионное травление. Изменяя рецепт процесса, мы пытались контролировать профиль вытравленного отверстия, чтобы получить форму сопла. Для второго метода исследуется обработка фемтосекундным лазером. Энергия в лазерном пятне используется для настройки угла боковой стенки сопла. Последний метод описывает изготовление стеклянной насадки с помощью порошковой струйной обработки и термообработки.В результате порошковой струйной обработки получается отверстие с желаемым углом наклона расширяющейся части сопла. Термическая обработка определяет радиус кривизны горловины. В этом разделе обсуждаются экспериментальная процедура и необходимое оборудование для трех методов изготовления. (i) Первый метод использует DRIE для формовки сопла диаметром 10 мм и толщиной 525 мкм 10 0 кремниевой пластины [5]. Пластины были покрыты центрифугированием слоем фоторезиста Olin 907–17 и на них нанесен рисунок с круговыми элементами диаметром 50 мкм.После литографии пластины были предварительно обожжены, чтобы избежать растрескивания слоя фоторезиста при криогенных температурах. Система DRIE, используемая в этом исследовании, — это система DRIE Alcatel / Adixen AMS 100 SE. Во всех экспериментах расход SF 6 был установлен на уровне 400 sccm, ICP 2500 W и температуре –120 ◦ C. Остальные параметры процесса были настроены для получения отрицательной конусности. Поперечные сечения получены путем разрушения кремниевых пластин по кристаллической структуре. (ii) Для второго метода, которым является FLM, эксперименты проводились на кремниевых пластинах диаметром 10 мм и толщиной 525 мкм.Для экспериментов используется коммерческая когерентная система, состоящая из генератора / затравочного лазера Vitesse Duo и усилителя RegA, которая выдает импульсы с …

Ракетная двигательная установка — Дополнение № 1

РАКЕТНАЯ ДВИГАТЕЛЬ
Дополнение № 1

Конструкция сопла ракеты: оптимизация расширения для максимальной тяги

Ракетный двигатель — это устройство, в котором топливо сжигается в камере сгорания и образующиеся в результате газы под высоким давлением расширяются через сопло специальной формы для получения толкать.Функция сопла заключается в преобразовании химико-тепловой энергии, генерируемой в камера сгорания в кинетическую энергию. Сопло преобразует медленно движущиеся, высокое давление, высокое температура газа в камере сгорания в высокоскоростной газ более низкого давления и температура. Скорость газа от 2 до 4,5 километров в секунду может быть достигнута в ракете. насадки. Форсунки, которые выполняют этот подвиг, называются форсунками ДеЛаваль (в честь изобретателя). и состоят из сходящейся и расходящейся секции.Минимальное проходное сечение между сходящимися а расходящаяся часть называется горловиной сопла. Площадь проходного сечения в конце расходящейся сечение называется зоной выхода из сопла.

Горячие выхлопные газы расширяются в расширяющейся части сопла. Давление этих газов будет уменьшаться, поскольку энергия используется для ускорения газа до высокой скорости. Сопло обычно сделана достаточно длинной (или достаточно большой выходной площадью), чтобы давление в камере сгорания камера на выходе из сопла снижается до давления, существующего вне сопла.Это под это условие, при котором тяга максимальна и сопло считается адаптированным, также называется оптимальным или правильное расширение. Чтобы понять это, мы должны изучить основное уравнение тяги:

 F = q × Ve + (Pe - Па) × Ae

   где F = тяга
         q = массовый расход топлива
         Ve = скорость выхлопных газов
         Pe = Давление на выходе из сопла
         Па = атмосферное давление
         Ae = Площадь выхода из сопла
 
Произведение qVe называется импульсом или скоростью, тягой и произведением (Pe-Pa) Ae называется напорной тягой.Как мы видели, Ve и Pe являются обратно пропорционально, то есть по мере увеличения одного значения другого уменьшается. Если сопло Недостаточно расширенный у нас Pe & gtPa и Ve маленький. Для чрезмерно удлиненного сопла мы у Pe & ltPa и Ve большие. Таким образом, импульсная тяга и давление давления равны обратно пропорционально и, как мы увидим, максимальная тяга возникает, когда Pe = Па.

Давайте теперь рассмотрим пример.Предположим, у нас есть ракетный двигатель с выдвижным сопло. Двигатель прошел испытательные пуски в среде с постоянным атмосферным давлением. В течение гореть, сопло выдвигается из полностью втянутого положения в полностью выдвинутое положение. В какой-то момент между полностью втянутым и полностью выдвинутым Pe = Pa (см. Рисунок ниже).

По мере того, как мы выдвигаем сопло, импульс тяги увеличивается по мере увеличения Ve . В то же время напор уменьшается, поскольку Pe уменьшается.Увеличение импульсной тяги составляет больше, чем уменьшение тяги давления, таким образом, общая тяга двигателя увеличивается как приближаемся к условию Pe = Pa . По мере того, как мы продолжаем расширять насадку, ситуация меняется. немного. Теперь давление тяги изменяется по величине быстрее, чем импульсная тяга, таким образом, общая тяга начинает уменьшаться.

Давайте теперь применим некоторые числа к нашему примеру и проведем вычисления, чтобы доказать, что это правда.Предположим, наш ракетный двигатель работает при следующих условиях:

 q = массовый расход топлива = 100 кг / с
   k = удельная теплоемкость = 1,20
   M = молекулярная масса выхлопных газов = 24
   Tc = Температура камеры сгорания = 3600 K
   Pc = Давление в камере сгорания = 5 МПа
   Па = Давление окружающей среды = 0,05 МПа
 

Если форсунка правильно адаптирована к условиям эксплуатации, имеем Pe = Pa , или Pe = 0.05 МПа.

Давление и температура газа в горловине сопла меньше, чем в камере сгорания. из-за потери тепловой энергии при ускорении газа до локальной скорости звука на горло. Поэтому рассчитываем давление и температуру в горловине сопла,

 Pt = Pc × [1 + (k - 1) / 2]  -k / (k-1) 
   Pt = 5 × [1 + (1.20 - 1) / 2]  -1.20 / (1.20-1) 
   Pt = 2,82 МПа = 2,82x10  6  Н / м  2 

   Tt = Tc × [1 / (1 + (k - 1) / 2)]
   Tt = 3600 × [1 / (1 + (1.20 - 1) / 2)]
   Tt = 3273 К
 

Площадь у горловины сопла определяется выражением

 At = (q / Pt) × SQRT [(R '× Tt) / (M × k)]
   При = (100 / 2,82x10  6 ) × SQRT [(8 314 × 3 273) / (24 × 1,20)]
   Ат = 0,0345 м  2  

Теперь горячие газы должны быть расширены в расширяющейся части сопла, чтобы получить максимальную толкать. Число Маха на срезе сопла равно

 Нм  2  = (2 / (k - 1)) × [(Pc / Pa)  (k-1) / k  - 1]
   Нм  2  = (2 / (1.20 - 1)) × [(5 / 0,05)  (1,20-1) /1,20  - 1]
   Нм  2  = 11,54
   Нм = (11,54)  1/2  = 3,40
 

Площадь среза сопла, соответствующая числу Маха на выходе, определяется выражением

 Ae = (Ат / Нм) × [(1 + (k - 1) / 2 × Нм  2 ) / ((k + 1) / 2)]  (k + 1) / (2 (k- 1)) 
   Ae = (0,0345 / 3,40) × [(1 + (1,20 - 1) / 2 × 11,54) / ((1,20 + 1) / 2)]  (1,20 + 1) / (2 (1,20-1)) 
   Ae = 0,409 м  2  

Скорость выхлопных газов на выходе из сопла определяется выражением

 Ve = SQRT [(2 × k / (k - 1)) × (R '× Tc / M) × (1 - (Pe / Pc)  (k-1) / k )]
   Ve = КОРЕНЬ [(2 × 1.20 / (1,20 - 1)) × (8 314 × 3 600/24) × (1 - (0,05 / 5)  (1,20–1) / 1,20 )]
   Ve = 2832 м / с
 

Наконец, рассчитываем тягу,

 F = q × Ve + (Pe - Па) × Ae
   F = 100 × 2,832 + (0,05x10  6  - 0,05x10  6 ) × 0,409
   F = 283200 Н


 

Давайте теперь рассмотрим, что происходит, когда сопло недостаточно выдвинуто, то есть Pe> Pa . Если мы предположим, что Pe = Pa × 2, имеем

 Pe = 0.05 × 2 = 0,10 МПа
   
   Ат = 0,0345 м  2 

   Нм  2  = (2 / (1.20 - 1)) × [(5 / 0.10)  (1.20-1) /1.20  - 1]
   Нм  2  = 9,19
   Нм = (9,19)  1/2  = 3,03

   Ae = (0,0345 / 3,03) × [(1 + (1,20 - 1) / 2 × 9,19) / ((1,20 + 1) / 2)]  (1,20 + 1) / (2 (1,20-1)) 
   Ae = 0,243 м  2 

   Ve = SQRT [(2 × 1,20 / (1,20 - 1)) × (8,314 × 3,600 / 24) × (1 - (0,10 / 5)  (1,20–1) / 1.20 )]
   Ve = 2,677 м / с

   F = 100 × 2,677 + (0,10x10  6  - 0,05x10  6 ) × 0,243
   F = 279850 Н


 

Теперь мы рассмотрим условие чрезмерного расширения, то есть Pe & ltPa . Если мы предположим Pe = Pa /2, имеем

 Pe = 0,05 / 2 = 0,025 МПа
   
   Ат = 0,0345 м  2 

   Нм  2  = (2 / (1,20 - 1)) × [(5 / 0,025)  (1.20-1) /1.20  - 1]
   Нм  2  = 14,18
   Нм = (14,18)  1/2  = 3,77

   Ae = (0,0345 / 3,77) × [(1 + (1,20 - 1) / 2 × 14,18) / ((1,20 + 1) / 2)]  (1,20 + 1) / (2 (1,20-1)) 
   Ae = 0,696 м  2 

   Ve = SQRT [(2 × 1,20 / (1,20 - 1)) × (8 314 × 3 600/24) × (1 - (0,025 / 5)  (1,20–1) / 1,20 )]
   Ve = 2963 м / с

   F = 100 × 2963 + (0,025x10  6  - 0,05x10  6 ) × 0,696
   F = 278 900 Н


 
Мы видим, что как недорасширенные, так и чрезмерно выдвинутые сопла производят тяги меньше, чем это производится, когда выполняется условие Pe = Pa .Когда мы строим график общей тяги относительно отношения Па / Ре получаем:

Как легко видеть, тяга максимальна, когда Па / Pe = 1, или когда Pe = Па.


Роберт А. Брауниг, 1998.

СОПЛО С ДЛИННЫМ РАДИУСОМ

— Mattech

Сопло с длинным радиусом представляет собой дросселирующее устройство с эллиптическим входом и цилиндрическим выходом. Существуют две конструкции сопел с различной формой эллиптической дуги, ограничивающей их конический вход:

  • Сопло с большим соотношением диаметров, применимое в пределах 0.25 ≤ β ≤ 0,8
  • Сопло с малым соотношением диаметров, применимое в диапазоне 0,2 ≤ β ≤ 0,5

В большинстве случаев корпус форсунки приваривается к трубопроводу, это так называемая приварная конструкция, или он заделывается между фланцами. Приварная конструкция сопла состоит из прямых участков трубопровода после сопла. Сварной монтаж в трубопровод имеет такие преимущества, как экономия материала на фланцах и, как следствие, минимизация утечек во фланцевом соединении. Размещение патрубка между фланцами рекомендуется до PN 100.

Ось отвода перепада давления (+) находится на расстоянии 1D от входной стороны форсунки. Ось отвода перепада давления (-) находится на расстоянии 0,5D от входной стороны сопла, за исключением сопла с малым соотношением диаметров β ≤ 0,3188, для которого ось отвода обратного отвода должна находиться на расстоянии 1,6d от сопла. входная часть сопла, где d обозначает диаметр дроссельной горловины сопла. По согласованию с заказчиком выходы дифференциального давления всегда адаптируются к различным вариантам присоединения первичного элемента к измерительной цепи.

Стандарт

ISO 5167-3 определяет возможность использования насадки с большим радиусом для труб диаметром от 50 мм до 630 мм. Для производства сопел с большим радиусом вращения чаще всего используются комбинации стандартной углеродистой стали и нержавеющей стали для измерения расхода жидкости и тугоплавких сталей для измерения расхода пара, например легированные стали 14MoV6-3 / 15 128, 10CrMo9-10 / 11CrMo910, 13CrMo4-5, 16Mo3, X10CrMoVNb9-1 и 15NiCuMoNb5.

Сопло большого радиуса изготавливается как рабочий счетчик.

Сопло с длинным радиусом имеет большое преимущество, заключающееся в высокой эксплуатационной надежности и применимости для измерения потоков жидкости, газа и пара, включая жидкости с высоким рабочим давлением или сильно перегретый пар. Еще одно преимущество: стабильность коэффициента расхода C в Re D от 10 4 до 10 7 .

Форсунки с большим радиусом особенно подходят для частей высокого давления в котельных системах и распределительных сетях (пар высокого давления, питательная вода).

Сопло большого радиуса может быть установлено как в вертикальном, так и в горизонтальном трубопроводе.

Компоненты топливной системы двигателя — форсунки для распыления топлива и топливные коллекторы (часть вторая)

Симплексная топливная форсунка

Односторонняя топливная форсунка была первым типом форсунок, использовавшимся в газотурбинных двигателях, и в большинстве установок была заменена на дуплексную форсунку, которая дало лучшее распыление на пусковых оборотах и ​​холостых оборотах. Симплексное сопло до сих пор используется в нескольких установках.[Рисунок 2-64] Каждое из симплексных сопел состоит из наконечника сопла, вставки и фильтра, состоящего из мелкоячеистого сита и опоры.

Рисунок 2-64. Форсунка Simplex в разрезе.

Сопло дуплексного топлива

Сопло дуплексного топлива широко используется в современных газотурбинных двигателях. Как упоминалось ранее, для его использования требуется делитель потока, но в то же время он обеспечивает желаемую форму распыления для горения в широком диапазоне рабочих давлений. [Рисунок 2-65] Типичное сопло этого типа показано на Рисунке 2-66.

Рисунок 2-65. Дуплексная форма распыления форсунки.

Форсунки Airblast

Форсунки Airblast используются для улучшения смешивания топлива и воздушного потока, чтобы обеспечить оптимальное распыление для сгорания. Как видно на рис. 2-64, короткие лопатки используются для смешивания воздуха и топлива в отверстии сопла. За счет использования части потока первичного воздуха для горения в топливной струе можно снизить локальную концентрацию богатого топлива. Этот тип топливных форсунок может быть как односторонним, так и дуплексным, в зависимости от двигателя.Этот тип форсунок может работать при более низком рабочем давлении, чем другие форсунки, что позволяет использовать более легкие насосы. Это сопло для продувки воздухом также помогает снизить склонность сопла к нагарообразованию, которое может нарушить структуру потока.

Рисунок 2-66. Дуплексная топливная форсунка.

Делитель потока

Делитель потока создает первичные и вторичные источники топлива, которые выводятся через отдельные коллекторы, обеспечивая два отдельных потока топлива. [Рис. 2-67] Отмеренное топливо из регулятора подачи топлива поступает на вход делителя потока и проходит через отверстие, а затем к первичным форсункам.Проход в делителе потока направляет поток топлива с обеих сторон отверстия в камеру. Эта камера содержит сильфон для перепада давления, ограничитель с компенсацией вязкости (VCR) и демпфер для защиты от перенапряжения. Во время запуска двигателя давление топлива прикладывается к впускному отверстию и через видеомагнитофон, демпфер перенапряжения и к первичной стороне форсунок. Топливо также подается под давлением к внешней стороне сильфона делителя потока и через демпфер к внутренней части сильфона делителя потока.Из-за этого неравномерного давления клапан делителя потока остается закрытым. Когда расход топлива увеличивается, увеличивается и перепад давления на сильфоне. При заданном давлении сильфон сжимается, позволяя клапану делителя потока открыться. Это действие запускает поток топлива во вторичный коллектор, что увеличивает поток топлива в двигатель. Это топливо вытекает из вторичного отверстия форсунок.

Рисунок 2-67. Делитель потока.

Клапаны повышения давления и сброса топлива

Клапан повышения давления топлива обычно требуется на двигателях с двойными топливными форсунками для разделения потока на первичный и вторичный коллекторы.При расходах топлива, необходимых для запуска и высотного холостого хода, все топливо проходит через первичный трубопровод. По мере увеличения расхода топлива клапан начинает открывать основную линию до тех пор, пока при максимальном расходе вторичная линия не будет пропускать примерно 90 процентов топлива.

Клапаны повышения давления топлива обычно задерживают топливо перед коллектором, обеспечивая принудительную отсечку. Эта отсечка предотвращает просачивание топлива в коллектор и через топливные форсунки, ограничивая последующее возгорание и карбонизацию топливных форсунок.Карбонизация происходит из-за того, что температура в камере сгорания понижается, а топливо сгорает не полностью.

Делитель потока выполняет, по сути, ту же функцию, что и нагнетательный клапан. Он используется, как следует из названия, для разделения потока на дуплексные топливные форсунки. Нередко единицы, выполняющие идентичные функции, имеют разную номенклатуру от производителей двигателей.

Дренажные клапаны камеры сгорания

Дренажные клапаны — это узлы, используемые для слива топлива из различных компонентов двигателя, где скопившееся топливо, скорее всего, вызовет рабочие проблемы.Возможность скопления в камере сгорания с последующей опасностью пожара является одной из проблем. Остаточной проблемой является отложение свинца и / или камеди после испарения в таких местах, как топливные коллекторы и топливные форсунки.

В некоторых случаях слив из топливных коллекторов осуществляется отдельным устройством, известным как сливной или сливной клапан. Этот тип клапана может работать от перепада давления или может работать с соленоидом.

Дренажный клапан камеры сгорания сливает топливо, которое накапливается в камере сгорания после каждого отключения, и топливо, которое могло накопиться во время ложного запуска.Если камеры сгорания представляют собой камеры сгорания, топливо стекает под действием силы тяжести вниз через жаровые трубы или соединительные трубы, пока оно не соберется в нижних камерах, которые снабжены дренажными линиями к сливному клапану. Если камера сгорания является корзиночной или кольцевой, топливо просто сливается через воздушные отверстия в гильзе и накапливается в ловушке в нижней части корпуса камеры, которая соединена с линией слива.

После того, как топливо накапливается в нижней части камеры сгорания или сливных трубопроводах, сливной клапан позволяет сливать топливо всякий раз, когда давление в коллекторе или горелке (ах) снижается почти до атмосферного.Маленькая пружина удерживает клапан от седла до тех пор, пока давление в камере сгорания во время работы не преодолеет пружину и не закроет клапан. Клапан закрыт во время работы двигателя. Крайне важно, чтобы этот клапан находился в хорошем рабочем состоянии для слива накопившегося топлива после каждого отключения. В противном случае вероятно возникновение горячего старта при следующей попытке пуска или повторного возгорания после выключения.

Летный механик рекомендует

180506-300 Сегмент сопла Solar ™

{{#если это.product.prodBean.STCountryofOrigin}} {{pageLabelMap ‘cc_ST_CountryOfOrigin’}}

{{this.product.prodBean.STCountryofOrigin}}

{{/если}} {{#если это.product.prodBean.STHTC}} {{pageLabelMap ‘cc_ST_HTC’}}

{{this.product.prodBean.STHTC}}

{{/если}} {{#if this.product.prodBean.STECCN}} {{pageLabelMap ‘cc_ST_ECCN’}}

{{this.product.prodBean.STECCN}}

{{/если}} {{#if this.product.prodBean.STATEX}} {{pageLabelMap ‘cc_ST_ATEX’}}

{{this.product.prodBean.STATEX}}

{{/если}} .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.