книги / Теория, расчёт и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок.-2
.pdfдавления в КС, оцениваемых коэффициентом восстановления
полного давления - °КС “ Рг / Рк 6. Обеспечение заданного и стабильного поля температур
на выходе из КС Поле температур в радиальном направлении характеризу
ется пониженной температурой во втулочном и периферийном сечениях и определяется предельно допустимыми напряжения ми в рабочих лопатках турбины.
7. Высокая жаропрочность и жаростойкость элементов КС, их надежное охлаждение. Это позволяет повысить эффектив ность и ресурс двигателя.
8.Отсутствие нагарообразования и дымления.
9.Высокая надежность, большой ресурс, производственная
иэксплуатационная технологичность.
6.2.Основные понятия о процессе горения
вКС ВРД
6.2.1.Основные закономерности горения топлива в КС
ВВРД процесс подвода тепла к рабочему телу (воздуху) осуществляется в основной и форсажной КС, и представляет со бой процесс сгорания топлива в воздухе.
В ВРД окислителем является кислород, содержащийся
ввоздухе, а горючим - органические вещества.
Всовременных авиационных ВРД применяются углеводо родные топлива на основе нефти - керосин (авиационные ВРД) или топливный газ (ВРД наземного применения).
Процесс сгорания топлива - это совокупность химических реакций окисления, приводящих к превращению химической энергии топлива в тепловую энергию, а самого топлива в газо образные вещества (продукты сгорания).
Протекание процесса горения в КС ВРД и параметры про дуктов сгорания (ПС) в значительной мере зависят от состава ТВС (соотношения горючего и окислителя).
Основными продуктами сгорания углеводородного топлива являются углекислый газ С 0 2 и водяной пар Н 20
Реакции полного окисления углерода и водорода:
1.С + О2 = С 02 + Q (тепло);
2.4 Н + 0 2 = 2Н20 + Q (тепло).
Наименьшее количество окислителя (воздуха), потребное
для полного сгорания 1 кг горючего, |
. |
|
LQ = |
14,7 кг - для авиационного керосина, |
|
LQ ~ |
17 кг - для топливного газа. |
|
Соотношение окислителя и горючего, при котором они полностью прореагируют при горении, называется «стехиомет рическим» или теоретическим. То есть 14,7 кг воздуха плюс I кг керосина - стехиометрическое соотношение ТВС для керосина.
При таком соотношении температура продуктов сгорания
имеет максимальное значение (7^* )•
В реальном ВРД к 1 кг горючего подводится L кг воздуха. Соотношение воздуха и топлива в ТВС оценивается с помощью
коэффициента: |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
а = L/l^ - коэффициент избытка воздуха в ТВС. |
|
||||||||
|
При |
L = |
а =1 |
- |
ТВС теоретическая |
(стехиометриче |
||||
ская). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При |
L < LQ => а < 1 |
- |
ТВС богатая (избыток горючего или |
||||||
недостаток воздуха). |
|
|
|
|
|
|
||||
|
При |
L>Zi)= > a> l |
- |
ТВС бедная (избыток воздуха |
или |
|||||
недостаток горючего). |
|
|
|
|
|
|||||
|
Полное сгорание горючего возможно при |
а > 1 . В реаль |
||||||||
ных ВРД величина а |
значительно выше (сх = 3...5). |
|
||||||||
|
При стехиометрическом соотношении окислителя и горю |
|||||||||
чего - |
Г ^ х (рис. 6.1). |
|
|
|
|
|
|
|||
|
При избытке одного из компонентов ТВС не прореагиро |
|||||||||
вавшая |
|
часть |
избыточного |
компонента |
охлаждает |
ПС |
||||
( Т |
< |
т ,г,;‘М |
|
|
|
|
|
|
|
|
{1 |
пс ^ |
1пс )• |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При |
^ п с ^ п с |
(Т ^ п |
- |
температура активации) горение |
становится невозможным, и происходит срыв пламени по бога той или бедной смеси.
Рис. 6.1. Зависимость Т ^ с ( а )
В реальных КС ВРД обычно ТВС - бедная ( а » 1 ) . Значе
ние а находится в зоне невозможного горения (см. рис. 6.1). Поэтому приходится применять конструктивные решения
для организации процесса устойчивого горения.
Теплотворность (теплотворная |
|
||
способность) ТВС |
На - это коли |
|
|
чество тепла, |
выделяющегося при |
|
|
сгорании 1 кг ТВС. |
|
|
|
При а = J |
# а = Н атм(Т™') |
|
|
- максимальная |
теплотворность |
|
|
(рис. 6.2). |
|
|
Рис. 6.2. Зависимость |
При |
а > 1=>l На(sL Тпс) |
||
вследствие того, что тепло от сго |
"<*(«) |
ревшего топлива нагревает дополнительную массу не прореаги ровавшего воздуха.
При а<1=>-1 На(Х Тис) вследствие того, что не прореаги ровавшее горючее в ТВС охлаждает ПС.
Количество не прореагировавшего топлива в КС оценива
ется с помощью |
коэффициента полноты сгорания |
топлива |
|
Л, -Q/Qi) >где Q |
- количество тепла, реально |
выделившееся |
|
в КС при сгорании одного килограмма топлива; |
Q0 - |
количест |
во тепла, которое выделилось бы при полном сгорании одного килограмма топлива.
6.2.2. Топлива, применяемые в ВРД
Требования к топливам авиационных ВРД:
1. Высокая теплотворность (количество тепла, выделяю щееся при полном сгорании 1 кг топлива):
Н„= (43100...43900) кДж/кг или (10300... 10500) кал/кг - весовая теплотворность (авиационный керосин);
Нп= 8600 кал/кг - объемная теплотворность (авиацион
ный керосин).
2. Низкая температура начала кристаллизации (менее
-60° С ).
3.Высокие антикоррозионные свойства.
4.Отсутствие нагарообразования.
5.Большой срок хранения.
6.Отсутствие воды и механических примесей.
7. Широкий эксплуатационный диапазон температур
идавлений.
8.Хорошие пусковые свойства.
9.Высокая плотность.
Наиболее удовлетворяет этим требованиям авиационный керосин:
Т-1; ТС-1 - продукты прямой перегонки нефти (наилучшие топлива для ВРД);
Т-2 - продукт прямой перегонки нефти, имеет более низ кую чем Т-1 и ТС-1 плотность и теплотворную способность, а также более высокую коррозионную активность при лучших пусковые свойствах (выше испаряемость).
ДЛЯ Т-1 —LQ= 14,6 КГ00зд/К1 топл? ТС-1 —LQ= 14,7 КГВо'иД^толл» Т-2 — —14,9 кг0О1Д/кгтоп:
Теплотворность для T-lr ТС-1, Т-2 - Н и = (42900...
43300) кДж/кг.
В ТВаД наземного применения в качестве топлива исполь зуют природный (топливный) газ с ^ = (16,7... 17) кгоозд/кгтопл
иН„ «49,3-10б кДж/кг.
6.3.Типы КС и их краткая характеристика
Вкачестве основных КС в ВРД применяются:
1)индивидуальные (трубчатые) КС;
2)трубчато-кольцевые КС;
3)кольцевые КС.
6.3.1.Индивидуальная КС (ИКС)
ИКС - автономная КС с собственной теплоизоляцией (рис. 6.3). Состоит из: жаровой трубы 7; корпуса 2; воспламени
теля |
пламеперебрасывающего патрубка 4\ топливной фор |
сунки 5. |
|
Обычно несколько ИКС со единяют в связку.
Преимущества ИКС:
-удобны в доводке;
-удобны в монтаже и замене;
-относительно просты.
Недостатки ИКС:
-высокая неравномерность температурного поля и поля ско ростей на выходе из связки ИКС;
-нерациональное использование объема двигателя;
-большие гидравлические потери;
-сложность уплотнения и теплоизоляции пламеперебрасывающих патрубков.
6.3.2.Трубчато-кольцевая КС
Трубчато-кольцевая КС (рис. 6.4) состоит из нескольких жаровых труб /, соединенных пламеперебрасывающими патруб ками 4 и имеющих общий корпус: внутренний б, наружный 2.
Рис. 6.4. Трубчато-кольцевая
КС
Преимущества:
-более равномерные (чем
уИКС) поля скоростей и температур на выходе из КС;
-пламеперебрасывающие патрубки не требуют герметиза
ции и теплоизоляции;
-меньшие (чем в ИКС) гид равлические потери;
-меньшие (чем у ИКС) га бариты.
Недостатки:
-сложность в доводке, изго товлении и замене жаровых труб.
6.3.3. Кольцевая КС
Кольцевая КС (рис. 6.5) представляет собой кольцевую жа ровую трубу 1 с определенным количеством горелок с форсун ками 5, размещенную в кольцевом кожухе: внутренний 6, на ружный 2.
|
Преимущества: |
|
|
|
|
- |
равномерное |
поле |
скоро |
|
стей |
и температур |
на |
выходе |
|
из КС; |
|
|
|
|
- |
минимальные потери теп |
||
|
ла через стенки, так как их сум |
|||
|
марная площадь минимальна; |
|||
|
- минимальные |
гидравли |
||
|
ческие потери; |
|
|
|
|
- отсутствует |
необходи |
||
Рис. 6.5. Кольцевая КС |
мость в пламеперебрасывающих |
|||
|
патрубках; |
|
|
-минимальный относительный объем.
Недостатки:
-меньшая жесткость (возможность коробления при нерав номерном нагреве);
-сложность в доводке;
-сложность в изготовлении и замене.
6.4. Организация процесса горения в КС ГТД
При организации горения необходимо учитывать следую щие факторы:
- коэффициент избытка воздуха в КС ВРД - а = 3.. .5, а го рение возможно при а = 0,4.. .1,7 ;
- максимально допустимая температура газа на входе в ГТ (на выходе из КС) ограничена прочностью рабочих лопаток ГТ
и равна примерно Т*= (1650...1700) К, а температура ПС
Г,7Х- (2200...2600) К; - скорость потока воздуха на входе в КС достигает при
мерно ск = (150...200) м/с, что значительно выше скорости распространения пламени - сгоремия = (10... 15) м/с.
Из вышеотмеченного следует, что если не принять специ альных конструктивных мер, то горение в КС ВРД будет невоз можно.
6.4.1. Мероприятия по организации устойчивого горения в КС ВРД54321
1. Ступенчатый подвод воздуха к топливу и продуктам сго рания, за счет чего первоначально создается необходимое обо гащение ТВС в зоне горения ( а = 0,8... 1,0), а затем обеднение
ТВС, приводящее к прекращению горения и снижению Т* на выходе из КС до заданного значения.
2. Предварительное торможение потока в диффузоре перед входом в жаровую трубу (ЖТ) до скорости - ск= (50.. .80) м /с .
3. Стабилизация пламени за счет создания зоны обратных токов, заполненной горячими ПС, непрерывно поджигающими «свежую» ТВС.
6.4.2.Этапы рабочего процесса в КС
1.Распыление форсунками топлива.
2.Смешение топлива с воздухом и испарение.
3.Воспламенение.
4.Химическая реакция окисления (горение).
5.Прекращение горения и охлаждение ПС.
Особенности реализации этапов рабочего процесса:
- подача и распыл топлива в жаровой трубе осуществляется через форсунку с перепадом давлений Д/?ф не менее
(30 ...50) кгс/см2,
-конус распыла перекрывает поперечное сечение ЖТ, что позволяет получать капли диаметром - (20... 100) мкм ;
-при образовании ТВС капли топлива испаряются и пере мешиваются с воздухом, так как горение топлива возможно только в паровой фазе;
-воздух, подаваемый в КС делится на два потока (рис. 6.6): первичный и вторичный.
Рис. 6.6. Организация процесса горения в жаровой трубе КС
Первичный - M Bl —(25...50) % от всего М д поступает
непосредственно в зону горения, где образуется богатая смесь
(а = 0,8... 1,0) и зона устойчивого горения |
с температурой |
Тис = |
|
= (2300...2500) К |
и средней скоростью |
потока газа |
спс = |
= (50...80) м/с. |
|
|
|
Вторичный - |
М а2 —(75...25) % от всего М в охлаждает |
||
жаровую трубу, протекая между стенкой |
ЖТ и корпусом |
КС, |
ипоступает в ЖТ через задние ряды отверстий. Смешиваясь
сгорячими газами из зоны горения, вторичный воздух снижает
те]Мпературу Тпс до заданного значения Т* Задняя часть ЖТ, где происходит смешение первичного
и вторичного потоков называется «зоной смешения». Вследст вие снижения Тпс и увеличения а в «зоне смешения» горение
практически прекращается, и не прореагировавшее топливо в ГТ не догорает.
Для обеспечения стабильного горения и повышения полно ты сгорания (Т г|г ) в передней части ЖТ с помощью фронтовых
устройств (ФУ) создается «зона обратных токов» (ЗОТ) (рис. 6.7).
Рис. 6.7. Тины фронтовых устройств ЖТ: а - лопаточное, б - щелевое
Типы фронтовых устройств:
-лопаточное ФУ (см. рис. 6.7, а) хорошо перемешивает воздух, но создает высокое гидравлическое сопротивление;
- щелевое ФУ (рис. 6.7, б) позволяет уменьшить гидравличе ское сопротивление при приемлемом качестве перемешивания.
Основная часть первичного потока воздуха поступает в ЖТ через фронтовое устройство и отбрасывается на периферию ЖТ (см. рис. 6.7).
Вцентре образуется зона пониженного давления (разряже ния), в которую устремляется воздух с периферии навстречу потоку. Возникает зона циркуляции (пониженных и отрицатель ных скоростей), в которой возможно устойчивое горение, а так же подача горячих ПС из зоны горения к факелу распыла топли ва форсункой. Это способствует быстрому испарению капель
иподжиганию вновь образующейся ТВС.
Вфакеле распыла максимальная концентрация топлива достигается на поверхности конуса распыла, в этом месте про исходит воспламенение ТВС и ее устойчивое горение.
Первоначальное воспламенение ТВС в ЖТ при запуске ВРД, осуществляется пусковым воспламенителем, который представляет собой миниатюрную КС со свечой зажигания и то пливной форсункой. По окружности КС в нескольких ЖТ уста навливают воспламенители для устойчивого воспламенения ТВС в момент запуска двигателя. В остальных ЖТ ТВС первоначаль но воспламеняется через пламеперебрасывающие патрубки.
6.5.Топливные форсунки, применяемые в КС ВРД
Различают несколько типов форсунок: струйные, центро бежные. двухканальные (двухкаскадные), испарительные, с аэра цией топливного факела.
Струйная форсунка представляет собой круглое отверстие в трубке (рис. 6.8, я), через которое под действием перепада дав лений на форсунке Др()) вытекает струя топлива, дробящаяся на
капли при взаимодействии с окружающей газовой средой. Величина расходов топлива М 1 в зависимости от режима
работы двигателя и режима полета изменяется в широком диа пазоне (в 10...20раз). Давление подачи топлива р.^ изменяется
в еще более широком диапазоне, так как Л/т - |
рф Давление |
подачи Рф необходимо изменять от 0,1 до (5... 6) МПа.