книги / Теория, расчёт и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок. Теоретические основы

Первоначальное 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-

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.

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).

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

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:

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,

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-

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,

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

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).

200