Теория расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетичес.-1
.pdfПервоначальное воспламенение ТВС в ЖТ при запуске ВРД осуществляется свечой зажигания 1 (см. рис. 7.4) или пусковым воспламенителем. Пусковой воспламенитель представляет собой миниатюрную КС со свечой зажигания и топливной форсункой. По окружности КС в нескольких ЖТ устанавливают воспламенители для устойчивого воспламенения ТВС в момент запуска двигателя. В остальных ЖТ ТВС при запуске воспламеняется через пламеперебрасывающие патрубки.
7.5. Топливные форсунки, применяемые в КС ВРД
Качество распыливания топлива, характеризующееся размером капель и равномерностью распределения топлива в зоне горения, оказывает большое влияние на обеспечение высокой полноты сгорания топлива и снижение эмиссии (выброса) вредных веществ из КС. Работа топливной форсунки должна быть согласована с работой фронтового устройства. В камерах сгорания ВРД для подачи топлива в жаровую трубу используются форсунки трех типов: с механическим распылом; с аэрацией топливного факела (пневмомеханический распыл); испарительные. Механические форсунки бывают струйные и центробежные, которые в свою очередь могут иметь однокаскадную или двухкаскадную схему.
В струйной форсунке топливо подается через цилиндрическое сопло (рис. 7.6, а) под действием перепада давлений на форсунке ∆рф. Вытекающая струя топлива дробится на капли при взаимодействии с окружающей газовой средой или со специальным отбойником.
Величина расхода топлива Мт, в зависимости от режима работы двигателя и условий полета, изменяется в 10…20 раз. Перепад давлений на форсунке ∆рф должен изменяться
веще более широком диапазоне, так как расход топлива
Мт ~ ∆рф . Давление подачи топлива рф, требуемое для
191
обеспечения всего диапазона
изменения ∆рф, необходимо
изменять от 0,1 до 5…6 МПа.
Однокаскадные струйные форсунки не обеспечивают качественного распыла
топлива во всем диапазоне
изменения рф (особенно при
больших и малых значени-
ях рф), потребного для обес-
печения заданного расхода
топлива Мт.
Струйная форсунка двухкаскадной схемы (рис. 7.6, б), имеющая два выходных
сопла, расположенных кон-
центрически друг относи-
тельно друга, позволяет обес-
печить потребные расходы Мт в меньшем диапазоне ∆рф за счет подключения или от-
ключения второго контура (рис. 7.7). Первый контур форсунки работает на всех режимах, начиная с запуска двигателя. При увеличении давления топлива в первом контуре 1 до pф2 распределительный клапан автоматически открывает доступ топлива в канал второго контура 2, после чего работают оба контура.
Последовательное включение в работу контуров форсунки обеспечивает удовлетворительное качество распыла топлива на всех режимах работы двигателя при умеренном давлении топлива на входе в форсунку и исключает необходимость иметь специальные пусковые форсунки.
Наибольшее распространение в основных КС ВРД нашли центробежные форсунки (рис. 7.6, в), так как они по-
192
зволяют получить качественный мелкодисперсный распыл при относительно невысоких давлениях рф за счет образования на выходе из форсунки конуса рас-
пыла с |
углом |
γк = |
Рис. 7.7. Расходная характеристика |
= 90…120° при раскрут- |
двухкаскадной форсунки |
||
ке струи |
внутри |
канала |
|
форсунки. Величина угла конуса распыла зависит от размера
иформы сопла форсунки. Центробежные форсунки также могут выполняться по двухкаскадной схеме.
Вфорсунках с аэрацией топливного факела (рис. 7.6, г) подготовка ТВС начинается внутри форсунки при продувании струи топлива потоком нагретого воздуха из-за компрес-
сора, что позволяет при меньших значениях ∆рф быстрей испарять капли, лучше перемешивать пары и капли с воздухом, более равномерно распределять их в зоне горения.
Испарительные форсунки позволяют получить на выходе топливо в паровой фазе, что сокращает время подготовки
иповышает качество ТВС, способствуя росту полноты сго-
рания (↑ηг ) .
7.6.Потери полного давления в КС
Вкамере сгорания имеют место потери полного давления. Потери энергии газового потока приводят к снижению полного КПД и ухудшению экономичности двигателя. В то же время наличие перепада давлений на КС, вызванного потерями, способствует надежному течению газа по тракту КС. Поэтому стараются удержать величину потерь полного давления в компромиссных пределах – не более 5 %.
193
Потери полного давления в КС вызваны:
–подогревом газа (тепловые потери);
–гидравлическим сопротивлением (потери на трение);
–смешением струй в потоке.
Падение полного давления, обусловленное подогревом движущегося газа в КС, называется «тепловым сопротивлением».
Подогрев газа в КС, имеющего скорость сКС > 0, всегда приводит к падению полного давления рКС (↓σт ) .
Физически это объясняется тем, что более нагретый газ сжимать «труднее» и при одной и той же величине адиабатической работы сжатия (равной по величине кинетической энергии потока), получаемой при торможении потока от скорости ск (сг) до нуля, у более нагретого газа давление повысится до меньшего значения: рг (Tг ) < рк (Tк ).
С одной стороны, чем выше степень подогрева газа в КС Tг /Tк , тем заметней эффект снижения полного давления.
Рис. 7.8. Зависимоcть
|
|
|
|
|
|
σт |
|
Тг |
, |
λк |
|
Тк |
|||||
|
|
|
|
С другой стороны, чем выше скорость газа на входе в КС λк, тем резче падает полное давление при увеличении Tг /Tк (рис. 7.8). Максимальная степень подогрева газа в КС (Тг Тк )max определяется скоростью на входе в КС λк. Чем выше значение λк, тем меньше значение возможной степени подогрева (Тг Тк )max . Это объясняется тем, что рост скорости потока сКС за счет
194
работы расширения газа при подводе тепла в цилиндрическом канале ЖТ возможен только до значения λКС = (сКС/скр) = = 1, после чего наступает «тепловое запирание» КС.
Это значит, что при дальнейшем увеличении Tг /Tк
плотность газа продолжает уменьшаться, а скорость не рас-
тет, так как сКС = скр = const (λКС = 1).
При FКС = const |
располагаемый массовый расход газа |
МКС =↓ρКС сКСFКС |
уменьшается и становится меньше по- |
требного. КС не сможет пропустить весь поступающий в нее газ и будет оказывать дросселирующий эффект на расход воздуха Мв через ОК. Рабочая точка на ХК будет смещаться в область с меньшими значениями Мпр, следовательно, меньшими ∆Kу до тех пор, пока не пересечет ГГУ (срыв в ОК).
В КС реальных ВРД λк = 0,07…0,13, поэтому «тепловое запирание» не наступает во всем диапазоне возможного из-
менения Tг /Tк .
Потери полного давления, обусловленные наличием гидравлического сопротивления, наблюдаются, главным образом, в диффузоре перед входом в КС и во фронтовых устройствах. Эти потери могут быть определены по формуле
|
k |
λ2 |
|
|
|
σгидр =1−ξ |
г |
к |
, |
(7.2) |
|
2 |
|||||
|
|
|
где ξ = 0,3168/Re0,25 (при 4·103 < Re < 100·103) – коэффициент гидравлических потерь. У современных ГТД ξ = 8…12.
Потери полного давления, обусловленные смешением струй, возникают при подводе в жаровые трубы вторичного воздуха и вызваны поворотом и перемешиванием боковых струй с основным потоком.
Суммарные потери полного давления в КС оцениваются коэффициентом сохранения полного давления:
σКС = σтеплσгидрσсмеш . |
(7.3) |
195
7.7. Эксплуатационные характеристики КС
Коэффициент полноты сгорания ηг является важнейшим параметром КС. Он учитывает как «химическую» неполноту сгорания, вызванную диссоциацией продуктов сгорания с образованием альдегидов вместо продуктов полного сгорания Н2О и СО2, так и «механическую», которая проявляется в отложении сажи, коксовании форсунок, уносе части не прореагировавшего топлива потоком воздуха за пределы двигателя.
От величины ηг зависит величина эмиссии вредных веществ в ВРД.
На величину ηг влияют α, рк, Тк , ск, n, тонкость распыла и другие параметры. Зависимости ηг (α, рк, Тк , ск, n) называются эксплуатационными характеристиками КС.
7.7.1. Зависимость ηг (α, Тк* )
Значение ηг max достигается при αΣ = 3…5 (α1 = 0,8…1,0 в зоне горения) (рис. 7.9). При обеднении смеси (↑α) пламя
уменьшается в объеме из-за недостатка топлива. ПС, смешиваясь с избыточным (не прореагировавшим) воздухом,
Рис. 7.9. Зависимость
ηг (α, Тк )
охлаждаются (↓ТПС ) . При
уменьшении температуры горения замедляются химические реакции окисления, и не все топливо успевает прореагировать, что приводит к снижению ηг. При значительном возрастании α возможно наступление срыва пламени по бедной смеси (ТПС < ТПС min).
196
При обогащении ТВС (↓α) избыточное (не прореаги-
ровавшее) топливо испаряется и охлаждает ПС (↓ТПС ) . Од-
новременно часть избыточного топлива термически разлагается при недостатке кислорода с образованием углерода в твердой фазе (сажа). Все это приводит к снижению ηг (см. рис. 7.9). При значительном уменьшении α возможен срыв пламени по богатой смеси (ТПС < ТПС min).
При уменьшении Тк задерживается испарение капель,
следовательно, ухудшается смесеобразование, уменьшается скорость горения, что приводит к снижению ηг (см. рис. 7.9).
7.7.2. Зависимость ηг ( рк* )
При увеличении H или уменьшении M полета уменьшается рк , что приводит к снижению ηг (рис. 7.10) вследствие:
– снижения турбулентности потока (из-за уменьшения числа Re), следовательно, снижения интенсивности теплопе-
редачи, что |
приводит к замедлению процесса смешения |
||
и распространения пламени; |
|||
– уменьшения |
расхода |
||
воздуха Мв, сопровождающе- |
|||
гося снижением Мт |
для со- |
||
хранения α |
= |
const |
(Тг = |
= const) . |
|
|
|
Снижение Мт обеспечи- |
|||
вается уменьшением давления |
|||
подачи рф, следовательно, сни- |
|||
жением ∆рф, |
|
что приводит Рис. 7.10. Зависимость ηг ( рк ) |
|
к ухудшению |
качества рас- |
пыла топлива, увеличению диаметра капель, которые легко пролетают через КС, не успев полностью испариться и сгореть.
197
7.7.3. Зависимость ηг(ск)
При значении ск ≈ 140 м/c полнота сгорания максимальная (рис. 7.11). При снижении ск уменьшается число Re, что приводит к снижению ηг. Одновременно уменьшается расход воздуха Мв, следовательно,
|
|
|
|
уменьшается Мт, что приводит |
||
|
|
|
|
к уменьшению ∆рф, увеличе- |
||
|
|
|
|
нию диаметра капель и сни- |
||
|
|
|
|
жению ηг. |
|
ск |
|
|
|
|
При |
увеличении |
|
|
|
|
|
уменьшается |
время пребыва- |
|
|
|
|
|
ния ТВС в зоне горения, что |
||
|
|
|
|
приводит к снижению ηг из-за |
||
Рис. 7.11. Зависимость η |
(с |
к |
) |
того, что не все топливо успе- |
||
г |
|
|
вает прореагировать. |
|
7.7.4. Зависимость ηг(n)
При уменьшении частоты вращения ротора n снижается πк , следовательно, уменьшается Мв, уменьшается Мт, что
приводит к уменьшению ∆рф и росту диаметра капель, вследствие чего снижается ηг (рис. 7.12).
Вывод: устойчивость горения в КС ВРД, зависящая от величины ηг, снижается при увеличении высоты H полета
(↓ рк , ↓Тк ) и при уменьше-
нии n (дросселирование двигателя).
При дросселировании
Рис. 7.12. Зависимость ηг(n)
двигателя (↓ n) на больших
высотах полета H высока вероятность срыва пламени в КС.
198
7.8. Вредные выделения КС и пути их снижения
Вредные компоненты в отработанных газах ВРД:
–окись углерода СО (угарный газ);
–углеводородные соединения СНх (непрореагировавшие остатки органического топлива);
–окислы азота NOх;
–дым С (частицы углерода).
Для учета величины эмиссии (выделения) вредных веществ (ВВ) из двигателя введен критерий – индекс эмиссии EIj. Индексом эмиссии называется количество j-го вредного вещества в граммах, выделившееся при сгорании 1 кг топлива.
СО и СНх – продукты неполного сгорания топлива, их индекс эмиссии EIСО, EICHх уменьшается с повышением пол-
ноты сгорания топлива (↑ηг ) , чему способствуют:
–обеспечение хорошего распыления топлива;
–предотвращение попадания топлива на стенки КС;
–рациональный подвод воздуха в первичной зоне, обеспечивающий сгорание ТВС при α = 1,2…1,6.
EIСО, EICHх имеют максимальные значения при работе
двигателя на режиме МГ (малый газ), так как на этом режиме
Tг min , πк min , следовательно, ηг min.
Из всего спектра окислов азота NOх, образующихся при сгорании углеводородного топлива, наибольшую опасность для живых организмов и растений представляют: окись азота NO и двуокись азота NO2. NO2 – газ желто-бурого цвета с резким запахом. NO – газ, не имеющий цвета и запаха, обычно быстро доокисляется до NO2. Токсичность NOх на порядок выше, чем токсичность угарного газа СО.
Термический механизм образования NOх, представляющий процесс окисления азота кислородом, проходит с большим поглощением тепла, его скорость резко возрастает при температуре ТПС > 1800 K. Поэтому интенсивный рост
199
|
|
выделения NOх начинается при |
|||
|
|
температуре в |
зоне горения |
||
|
|
ТПС > 1800 K и увеличении вре- |
|||
|
|
мени пребывания ПС в КС τКС |
|||
|
|
(рис. 7.13). Так как ТПС растет |
|||
|
|
при увеличении |
температуры |
||
|
|
на входе в КС Тк, то увеличение |
|||
Рис. 7.13. Зависимость |
πк (↑Tк ) способствует росту |
||||
EINOх |
(ТПС, τКС ) |
EI |
NOx |
. |
|
EINOx |
имеет максимальные значения на взлетном (мак- |
||||
симальном) режиме работы ВРД, когда Тг max , |
πк max . |
Содержание дыма (частиц углерода) в ПС вызвано сжиганием богатой ТВС (α > 1). Для уменьшения дымления необходима хорошая подготовка ТВС перед сгоранием (рациональное конструирование фронтового устройства).
Доля авиации в общем загрязнении окружающей среды невелика – примерно 1 % от общего загрязнения. Однако в районах аэропортов имеет место значительное локальное загрязнение, опасное для здоровья человека.
Международной организацией гражданской авиации (ИКАО) разработаны нормы допустимого содержания загрязняющих веществ в отработанных газах авиационных ВРД. Аналогичные требования разработаны в России в 1994 году.
Для удобства контроля вредных выбросов для различных типов самолетов и двигателей введен стандартный цикл режимов работы двигателя при взлете и посадке (табл. 7.1).
|
|
|
|
|
Таблица 7.1 |
|
|
|
|
|
|
Номер режима i |
Режим |
Отн. тяга |
|
|
Время ti, мин |
Ri , % |
|||||
1 |
Взлет |
100 |
|
|
0,7 |
2 |
Набор высоты |
85 |
|
|
2,2 |
3 |
Заход на посадку |
30 |
|
|
9,0 |
4 |
Руление |
7 |
|
|
22,0 |
200