книги / Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 2 Компрессоры. Камеры сгорания. Форсажные камеры. Турбины. Выходные устройства

Для распределения расхода воздуха между зо­ нами жаровой трубы часто поступают следую­ щим образом. Вначале выбирается режим сжига­ ния топлива в расчетных условиях и определяет­ ся количество воздуха, поступающего в зону горения. Например, при общем коэффициенте избытка воздуха на выходе из КС а кс = 3 при сжигании обедненной ТВС в зоне горения с а гор = 1,5 в нее необходимо подать 50 % от об­ щего количества воздуха, поступившего в КС. Если выбрана концепция низкотемпературного сжигания обогащенной ТВС с а гор = 1,5 в нее не­ обходимо подать 50 % от общего количества воз­ духа, поступившего в КС. Если выбрана концеп­ ция низкотемпературного сжигания обогащен­ ной ТВС с а гор = 0,6, то в зону горения необходимо подать 20 % воздуха, здесь

a ~Ga/GTL0,

где GB- расход воздуха через КС (или зону горе­ ния), кг/с;

GT- расход топлива, кг/с;

L0 - стехиометрический коэффициентдля воз­ духа и данного вида топлива (керосина).

Для используемых видов керосина (РТ, Т-6, ТС-1, Т-1) стехиометрический коэффициент для воздуха находится в диапазоне от 14,70 до 14,94.

Решение задачи по распределению воздуха между ФУ и основными отверстиями зоны горе­ ния сводится к отысканию компромиссного ва­ рианта, при котором обеспечиваются максималь­ ная однородность ТВС, надежность запуска и ус­ тойчивость горения во всем диапазоне работы двигателя. Противоречие между этими требова­ ниям заключается в том, что, с одной стороны, увеличение расхода воздуха через ФУ способст­ вует образованию более однородной ТВС, с дру­ гой стороны, это приводит к росту скорости потока в головной части жаровой трубы, что ухудшает условия розжига и сужает область ус­ тойчивого горения. В каждом конкретном случае распределение воздуха между ФУ и основными отверстиями выбирается либо по аналогии с бли­ жайшим прототипом, либо на основании имею­ щихся литературных данных или собственного опыта предприятия и окончательно подтвержда­ ется экспериментом.

Оставшийся воздух делится между системой охлаждения и зоной смешения. В связи с тем, что воздух системы охлаждения практически не вовлекается в организацию рабочего процесса в жаровой трубе, его количество стараются огра­ ничить. Особенно это актуально для современных ГТД с высокими термодинамическими парамет­ рами цикла и низкими значениями коэффициента

6.3. Проектирование КС

избытка воздуха за КС (акс * 2,2). Так, в КС с а кс = 2,2, при организации процесса сжигания обедненной ТВС с а = 1,8 в зоне горения объем воздуха, оставшегося на зону смешения и охлаж­ дение стенок, будет составлять всего около 18 %.

В условиях дефицита воздуха для охлаждения стенок жаровых труб требуется применять высо­ коэффективные системы охлаждения и теплоза­ щитные покрытия (см. подразд. 6А2.2). В каж­ дом конкретном случае величину потребного расхода охлаждающего воздуха предварительно находят из теплового расчета стенки жаровой трубы и затем уточняют по результатам термометрирования на двигателе.

На начальном этапе проектирования геомет­ рические размеры отверстий в стенке жаровой трубы и ФУ можно определить по следующей схеме:

-определяется суммарная эффективная пло­ щадь отверстий в стенке жаровой трубы;

-распределяется суммарная эффективная площадь по зонам жаровой трубы в соответствии

свыбранным распределением расхода воздуха;

- определяется геометрическая площадь и фактические размеры отверстий.

Суммарная эффективная площадь отверстий (м2) в стенке жаровой трубы находим по формуле

где <7ВЖ - расход воздуха через жаровую трубу, кг/с;

р- плотность воздуха в межтрубном ка­ нале, кг/м3;

АРж- перепад давления на стенке жаровой трубы, Па.

Величина перепада давления на стенке жаро­ вой трубы на практике колеблется в достаточно узких пределах (3...5 % от давления за компрессо­ ром). Это связано с тем, что при низких значениях перепада ухудшается эффективность системы ох­ лаждения первого соплового аппарата ТВД и про­ текание рабочего процесса в самой жаровой тру­ бе. При более высоких значениях необоснованно завышаются общие потери в КС. Поэтому величи­ ной перепада давления на стенке жаровой трубы можно предварительно задаться, принимая ее по­ стоянной по всей длине жаровой трубы.

Если известны потери давления в диффузоре, то среднюю величину перепада давления на стен­ ке жаровой трубы можно определить путем вы­ читания из общих потерь давления в КС (кото­ рые, как правило, являются заданной величи­ ной), потерь в диффузоре.

На основании принятого допущения о посто­ янной величине перепада давления вдоль стенки

Глава 6. Камеры сгорания ГТД

жаровой трубы эффективная площадь отверстий должна соответствовать ранее выбранному рас­ пределению расхода воздуха по зонам жаровой трубы. Тогда геометрическая площадь отдельных отверстий определится как отношение эффектив­ ной площади к коэффициенту расхода воздуха:

Для лопаточных завихрителей коэффициент расхода воздуха берется по справочным или экс­ периментальным данным, а за геометрическую площадью принимается площадь самого узкого места в межлопаточном канале. Размеры отвер­ стий системы охлаждения находятся по резуль­ татам теплового расчета жаровой трубы.

При определении размеров основных отвер­ стий зоны горения и зоны разбавления конструк­ тору приходится подбирать оптимальное соотно­ шение между количеством отверстий, их разме­ рами и формой для того, чтобы обеспечить лучшее перемешивание воздуха с топливом или продуктами сгорания (рис. 6.37). Важной харак­ теристикой в этом выборе является глубина про­ никновения струи воздуха в поток газов. В об­ щем случае она зависит от располагаемого пере­ пада статического давления на стенке жаровой трубы (или скорости воздушной струи), формы отверстия, профиля кромок, толщины стенки, уг­ ла наклона оси отверстия к направлению снося­ щего потока, скорости воздуха в межтрубном канале и скорости газа в жаровой трубе. Для струи воздуха, втекающей через круглое отвер­ стие перпендикулярно к сносящему потоку (рис. 6.14), глубину проникновения можно опре­ делить по эмпирической формуле

Х \ \ \ \ \ \ \ ч \ ч ч \ \ \ ч \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ ч

WyK - скорость потока газов в жаровой трубе, м/с.

Скорость струи воздуха в отверстии опреде­ ляется через эффективную площадь отверстия по

Желательно, чтобы глубина проникновения струй воздуха (или отдельных струй), втекающих через основные отверстия зон горения и разбавле­ ния, доходила, как минимум, до центра жаровой трубы, где происходит основной процесс горения и обычно наблюдается максимальная температура газов. Для повышения пробивной способности струй воздуха иногда используют направляющие втулки или патрубки (см. рис. 6.37). Коэффициент расхода воздуха через основные отверстия р0 при попутном движении воздуха и газа вдоль стенки толщиной d можно определить по графику на рис. 6.15.

После того, как будут определены размеры отверстий жаровой трубы, производится уточ­ ненный расчет аэродинамических характеристик КС с учетом горения и расчет теплового состоя­ ния стенки жаровой трубы.

С целью повышения точности расчетов в по­ следнее время все большее распространение стали получать специальные программные пакеты, мо­ делирующие трехмерное течение. На рис. 6.16 по­ казана расчетная область КС двигателя ПС-90А. Сеточная модель этой области составляет более

наружного корпуса, который относится к основ­ ным силовым элементам двигателя.

Результаты тепловой оценки используются при расчете НДС, оценке запасов прочности и прогнозировании ресурса корпуса по цикличе­ ской долговечности. В связи с тем, что темпера­ тура корпуса является инерционным парамет­ ром, для повышения качества прочностного рас­ чета необходимо оценивать тепловое состояние корпуса с учетом нестационарности режима ра­ боты двигателя по полетному циклу.

На рис. 6.22 и 6.23 виден инерционный характер изменения максимальной температуры корпуса по полетному циклу и отличие в перепаде температур между внутренней и наружной поверхностями (в районе фланца свечи зажигания) в стационарных и нестационарных условиях. Общая картина рас­ пределения температуры в расчетной области кор­ пуса КС приведена на рис. 6.24.

6.3.4. Проектирование на заданную эмиссию

Всвязи с большим вниманием, уделяемым

впоследнее время проблеме экологической чис­ тоты авиационных и наземных ГТД, одним из главных критериев, на который необходимо ори­ ентироваться при проектировании КС, является требование по обеспечению заданных норм на эмиссию вредных веществ. В соответствии с ме­ ждународным стандартами и отечественными правилами в настоящее время для авиационных ГТД нормируется эмиссия НС, СО, NOx и дыма. Нормируемым параметром эмиссии газообраз­ ных вредных веществ является условный вало­ вый выброс каждого вещества, отнесенный к тяге двигателя на взлетном режиме (г/кН),

Эмиссия дыма нормируется по максимально­ му измеренному значению условного числа дым­ ности SN.

Валовый выброс каждого из вредных веществ определяется как сумма выбросов на режимах стандартного условного цикла взлетно-посадоч­ ных операций:

где EI - индекс эмиссии (Emission Index) - масса вредного вещества, приходящаяся на 1 кг топлива, г/кг;

GT- расход топлива, кг/мин;

т - время работы на /-м режиме, мин. Стандартный условный цикл взлетно-поса­

дочных операций включает в себя следующие ре­ жимы:

-взлет - 100 % расчетной мощности, время работы на режиме 0,7 мин;

-набор высоты - 85 % расчетной мощности, время работы 2,2 мин;

-заход на посадку - 30 % расчетной мощно­ сти, время работы 4,0 мин;

-руление, малый газ - 7 % расчетной мощно­ сти, время работы 26 мин.

Первые нормы на эмиссию вредных ве­ ществ, согласно стандарту ИКАО, распростра­ нялись на авиационные ГТД с датой создания после 31 декабря 1985 г. и имели следующие величины:

Dco= 118 г/кН;

-низкая скорость горения в первичной зоне вследствие недостатка топлива и (или) нехватки времени пребывания;

-недостаточно однородная топливовоздуш­ ная смесь, в результате чего образуются локаль­ ные забедненные зоны с низкой полнотой сгора­ ния, а также зоны с большим избытком топлива;

-«замораживание» продуктов горения воз­ духом, участвующим в охлаждении стенки жаро­ вой трубы.

Повышенное содержание несгоревших углево­ дородов, к которым относят топливо в виде ка­ пель или пара, а также продукты разложения ис­ ходного топлива на углеводороды меньшей моле­ кулярной массы (метан, ацетилен), обычно связывают с плохим распыливанием топлива, не­ достаточной скоростью горения и «заморажива­ нием» продуктов неполного сгорания в охлаж­ дающем воздухе вблизи стенок жаровой трубы.

Сувеличением режима работы двигателя выбро­ сы несгоревших углеводородов уменьшаются. Связано это как с улучшением распыливания топ­ лива, так и с ростом скорости химических реакций

впервичной зоне вследствие повышения давле­ ния и температуры воздуха на входе в КС.

Устранение причин образования СО и НС сводится, как правило, к повышению полноты сгорания топлива на режимах вблизи малого га­ за. Связь между полнотой сгорания и уровнями выбросов СО и НС описывается следующим ана­ литическим выражением:

Рис. 6.25. Нормы ИКАО на эмиссию NO.r

63. Проектирование КС

NOx образуются в результате окисления азота, находящегося в атмосферном воздухе и в топливе. Легкие дистиллятные топлива содержат неболь­ шие количества органического азота (менее 0,06 %), в то время как тяжелые продукты пере­ гонки могут содержать до 1,8 %. В последнем слу­ чае доля N 0 из топлива может составлять значи­ тельную долю в общем выбросе окиси азота.

Основную часть в окислах азота обычно со­ ставляет окись азота NO. Образование N 0 проис­ ходит в соответствии с цепным механизмом Зельдовича [6.8]:

02- 20,

N + 0 2 n N O + O.

Процесс образования окиси азота эндотермичен и идет с заметной скоростью только при тем­ пературах выше 1800 К, поэтому N 0 образуется только в горячих зонах и достигает максималь­ ной концентрации на режиме наибольшей тяги. Окисление N 0 до N 02 происходит при снижении температуры газа. Практический диапазон тем­ пературы газа, при которой образуется двуокись азота, от 400 до 900 К. На режимах большой тяги доля N 02 в окислах азота NOx (NOx = NO + N 0 2) очень мала, но на режиме малого газа она может достигать 50 %.

Установлено, что выброс NOx экспоненциаль­ но возрастает с повышением температуры пламе­ ни согласно соотношению NOx оо ехр (0,0097^) и линейно возрастает с повышением времени пребывания продуктов сгорания в высокотемпе­ ратурных зонах. Изменение давления от 0,5 до 3 МПа практически не влияет на уровень выбро­ са NOx.

Сажа (или дым) может образовываться в лю­ бой части зоны горения, где имеется избыток то­ плива и скорость смешения недостаточна. На­ пример, в случае центробежных форсунок основ­ ная сажеобразующая область располагается внутри факела распыливания. В этой области су­ ществует возвратное течение продуктов сгора­ ния, и локальные порции паров топлива оказыва­ ются окруженными высокотемпературными га­ зами с дефицитом кислорода. Большая часть сажи, образовавшейся в первичной зоне горения, сгорает затем в высокотемпературных областях ниже по потоку. Экспериментально установлено, что на образование сажи оказывают влияние свойства топлива, давление и температура возду­ ха в КС, коэффициент избытка воздуха, качество