книги / Теория, расчёт и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок.-2
.pdf\ \ \ Ч \ У Л ^
с— :> О О О
\ \ \ \ \ \ Ч \ ^
сопла
■ '//у/}/7 ^
'чЧЧЧЧЧЧ-Х^ CZZ > О о о
о о |
о |
ЧЧЧЧЧУЧЧч^ |
|
zzzzzzzz^czr> о с |
о |
б
Рис. 6.8. Типы топливных форсунок
Обычные струйные форсунки не обеспечивают качествен ного распыла топлива во всем диапазоне изменения /?ф (при
больших и малых значениях /?ф), потребного для обеспечения заданного расхода топлива М т.
Двухканальная форсунка имеет два выходных сопла, рас положенных концентрически одно в другом (рис. 6.8, б), и по зволяет обеспечить потребные расходы М т в меньшем диапазо
не Д з а счет подключения или отключения второго канала.
Центробежные форсунки (рис. 6.8, в) получили наибольшее распространение в основных КС ВРД, так как позволяют полу чить хороший распыл при невысоких давлениях р ф за счет об
разования на выходе из форсунки конуса распыла с ZyK= = (90... 120)° при раскрутке струи внутри канала форсунки.
Величина угла конуса распыла зависит от размера и формы сопла форсунки. Центробежные форсунки также могут выпол няться двухканальными.
Испарительные форсунки позволяют получить на выходе топливо в паровой фазе, что сокращает время подготовки и по вышает качество ТВС, способствуя росту полноты сгорания
( 1 4 ) -
В форсунках с аэрацией топливного факела подготовка ТВС начинается внутри форсунки при продувании струи топли ва потоком воздуха.
6.6. Потери полного давления в КС
Потери полного давления в КС вызваны:
-подогревом газа;
-гидравлическим сопротивлением;
-смешением струй в потоке.
Падение полного давления, обусловленное подогревом дви жущегося газа в КС, называется «тепловым сопротивлением».
Подогрев газа в КС, имеющего скорость скс > 0, всегда
приводит к падению полного давления р кс* .
Физически это объясняется тем, что более нагретый газ сжимать «труднее» и, при одной и той же величине адиабатиче ской работы сжатия, получаемой при торможении потока от скорости скс до нуля, у более нагретого газа давление повы
сится до меньшего значения: р*(Т*) < р*(Т*).
С одной стороны, чем выше степень подогрева газа в КС - Д = Т* / Т *, тем заметней эффект снижения полного давления. С другой стороны, чем выше скорость газа на входе в КС - Лк, тем резче падает полное давление при увеличении Д (рис. 6.9).
Максимальная степень подогрева газа в КС Джах определя ется скоростью на входе в КС Лк. Чем выше значение Хк, тем
меньше значение Д1ШХ Это объясняется тем, что рост скорости потока скс за счет работы расширения газа при подводе тепла в цилиндрическом канале ЖТ возможен только до значения
Акс = -^ - = 1, после чего наступает «тепловое запирание» КС.
Рис. 6.9. Зависимость о * (А, Ак)
Это значит, что при дальнейшем увеличении А плотность газа продолжает уменьшаться (>1 ркс) вследствие роста удель
ного объема |
газа $ = 1/ ■!• р кс, а скорость не |
растет, |
так как |
скс= скр= c°nst (Ак с =1). |
|
|
|
При |
= const располагаемый расход |
газа |
Л/кс = |
=^Ркс,скс FKC уменьшается и становится меньше потребного. КС не сможет пропустить весь поступающий в нее газ и будет оказывать дросселирующий эффект на расход воздуха Л/в через ОК. Рабочая точка на ХК будет смещаться в область с меньши ми CJ(Xdx), следовательно, меньшими Д/Судо тех пор пока
не пересечет ГГУ («помпаж» ОК).
В КС реальных ВРД - Ак= 0,07...0.13, поэтому «тепловое
запирание» не наступает во всем диапазоне возможного изме нения А .
Потери полного давления, обусловленные наличием гид равлического сопротивления, наблюдаются, в основном, в диф-
фузоре перед входом в КС и во фронтовых устройствах. Эти по тери могут быть определены по формуле:
(6.2)
где 4 *“ 0»3168/Re0,25 (при 4 • 103 < Re < 100-103) - коэффициент
гидравлических потерь. У современных ГТД - \ = 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: |
|
< 4 := < Л д р < С ш - |
(6.3) |
6.7. Эксплуатационные характеристики КС
Коэффициент полноты сгорания г\г является важнейшим параметром КС. Он учитывает как «химическую» неполноту сгорания, вызванную диссоциацией продуктов сгорания с обра зованием альдегидов вместо продуктов полного сгорания Н20 и С 02, так и «механическую», которая проявляется в отложе нии сажи, коксовании форсунок, уносе части не прореагировав шего топлива потоком воздуха за пределы двигателя.
От величины Т1Г зависит величина эмиссии вредных ве ществ из ВРД.
На величину Г|г влияют а,р*,Г *,ск, п, тонкость распыла и другие параметры. Зависимости Г|г(а, р к, Т'к, ск, п) - называ ются эксплуатационными характеристиками КС.
6.7.1. Зависимость т]г(а, Г*)
Значение г\Г1ШХ достигается при a z =3...5 (а , =1,0 в зоне горения) (рис. 6.10). При обеднении смеси ( Т а ) пламя умень-
шается по объему из-за недос |
|
|
татка топлива. ПС, смешиваясь |
Лг |
|
с избыточным (не прореагиро |
|
|
вавшим) воздухом, охлаждают |
|
|
ся ( I Тпс) |
При уменьшении |
|
температуры |
горения замедля |
|
ются химические реакции окис |
|
|
ления, и не все топливо успева |
|
|
ет прореагировать, что приво |
|
дит к снижению Г)г . |
610. ^ |
оЯЬ |
|
При значительном возрастании |
а возможен срыв пламени |
||
по бедной смеси ( 7"пс < TnClWll)). |
|
|
|
При обогащении ТВС ( i a ) избыточное |
(не прореагиро |
||
вавшее) топливо испаряется и охлаждает ПС (Ф Гпс ). |
|
||
Одновременно часть избыточного топлива термически раз |
|||
лагается при недостатке кислорода |
с образованием |
углерода |
|
в твердой фазе (сажа). Все это приводит к снижению |
г\г (см. |
рис. 6.10).
При значительном уменьшении а возможен срыв пламени по богатой смеси ( I Т]1С<ТПСтш).
При уменьшении Т* задерживается испарение капель, сле довательно, ухудшается смесеобразование, уменьшается ско рость горения, что приводит к снижению Г|г .
6.7.2. Зависимость )
При увеличении Н или уменьшении М полета уменьшает ся pi что приводит к снижению У]г (рис. 6.11) в следствие:
- снижения турбулентности потока (из-за уменьшения чис ла Re), следовательно, снижения интенсивности теплопереда
чи, что приводит к замедлению процесса смешения и распро странения пламени;
- уменьшения расхода воздуха М й, сопровождающееся снижением М тдля сохранения а = const (Г* = const).
|
|
|
|
Снижение |
М т обеспечива |
||
|
|
|
ется |
уменьшением |
давления |
||
|
|
|
/?Ф |
АРф , |
что |
приводит |
|
|
|
|
к ухудшению качества распыла |
||||
|
|
|
топлива, увеличению |
диаметра |
|||
0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 |
р.кг/см2 |
капель, которые легко пролета- |
|||||
ют через КС, не успев полно- |
|||||||
|
к |
2 |
|||||
Рис. 6.11. Зависимость tir(p*) |
стью испариться и сгореть. |
||||||
6.7.3. Зависимость Лг(ск) |
|
|
|||||
При значениях |
ск = 60 |
м/с полнота сгорания максималь- |
|||||
,,аЯ (Лппах )• |
ск уменьшается число Re, характеризую |
||||||
При снижении |
щее степень турбулентности потока, что приводит к снижению Г|г (рис. 6.12). Одновременно уменьшается расход воздуха Мв,
|
следовательно, |
уменьшается |
|
|
Мт, что приводит к уменьше |
||
|
нию Д/?ф, увеличению диаметра |
||
|
капель и снижению Г|г • |
||
|
При увеличении ск умень |
||
|
шается время пребывания ТВС |
||
|
в зоне горения, |
что приводит |
|
|
к снижению |
л г |
из-за того, что |
Рис. 6.12. Зависимость Лг(ск) |
не все топливо успевает прореа |
||
|
гировать. |
|
|
6.7.4. Зависимость г\г{п) |
|
||
При уменьшении п , |
уменьшается |
п к, |
следовательно, |
уменьшается Мй, уменьшается Мт, что приведет к уменьше нию Дуф и росту диаметра капель, вследствие чего снижается Лг (рис. 6.13).
Вывод: Устойчивость го рения в КС ВРД, зависящая от величины Г|г , снижается при увеличении высоты Н полета
( i /;и, i Т*) и при уменьшении
/7 (дросселирование двигателя). При дросселировании дви гателя ('In ) на больших высо тах полета Н высока вероят
ность срыва пламени в КС.
6.8. Вредные выделения КС и пути их снижения Вредные компоненты:
-окись углерода ( СО ):
-углеводородные соединения ( СНХ);
-окислы азота ( NOx );
-дым (частицы углерода С ).
Для учета величины эмиссии (выделения) вредных веществ из двигателя введен критерий - индекс эмиссии EJ j . Это - ко
личество j -го вредного вещества, в граммах, выделившееся при сгорании 1 кг топлива.
СО и СНХ - продукты неполного сгорания топлива, их индекс эмиссии EJсо, £7СНх уменьшается с повышением пол ноты сгорания топлива ( Т Г|г ), чему способствуют:
-обеспечение хорошего распыления топлива;
-предотвращение попадания топлива на стенки КС;
-рациональный подвод воздуха в первичной зоне, обеспе чивающий сгорание ТВС при а = 1,2... 1,5.
£УС0, £УСНх имеют максимальные значения при работе двигателя на режиме - «МГ» (малый газ), так как на этом режи-
ГТ1!> |
* |
~ 'г min* |
min ' |
NOx образуется при температуре в зоне горения
Т1:С>2000 К и увеличении времени пребывания ПС Гпс в КС.
£7NOX имеет максимальные значения на взлетном (макси
мальном) режиме работы ВРД, когда Г*1ШХ, п кпглу.
Содержание дыма (частиц углерода) в ПС вызвано сжига нием богатой ТВС ( а < 1). Для уменьшения дымления необхо дима хорошая подготовка ТВС перед сгоранием (рациональное конструирование фронтового устройства).
Доля авиации в общем загрязнении окружающей среды не велика - примерно 1 % от общего загрязнения. Однако в районе аэропортов имеет место значительное локальное загрязнение, опасное для здоровья человека.
Международной организацией гражданской авиации (ИКАО) разработаны нормы допустимого содержания загряз няющих веществ в отработанных газах авиационных ВРД.
Для удобства контроля вредных выбросов для различных типов самолетов и двигателей введен стандартный цикл режи
мов работы двигателя при взлете и посадке (табл. 6.1). |
|||
|
|
|
Таблица 6.1 |
i |
Режим |
Тяга Я,, % |
Время г,, мин |
i |
Взлет |
100 |
0,7 |
2 |
Набор высоты |
85 |
2,2 |
3 |
Заход на посадку |
30 |
4 |
4 |
Руление |
7 |
26 |
Контрольный параметр эмиссии - отношение массы |
j -го |
||||
вещества |
D{ (в граммах), выделившейся за стандартный цикл, |
||||
к взлетной тяге двигателя £01Л [кН ]. |
|
|
|||
|
|
|
с» X |
|
|
О |
, |
■ |
? е ' * м 6 о ' ' * м ®-10' , ? |
£ , *с* * Л - |
(6-4) |
тогда |
|
|
|
|
|
|
|
Dj / Rtv>= 2,78 • 1(Г41 EJh ■cR. Rr |
t„ |
(6.5) |
i
где i = 1, 2, ..., 4 |
- |
номер режима из табл. 6.1; E J } характеризу |
ет совершенство |
|
КС; cR. характеризует экономичность ВРД |
и зависит от параметров термодинамического цикла и совер шенства всех узлов ВРД.
При использовании ТРД и ТВД на дозвуковых скоростях полета и при тяге двигателя R > 26,7 кН допустимые нормы:
DCUs //?„.„ <19,6; Dr o //?,m <1184; DNO< / Rm < 40 + 2 l < . (6.6)
Уложиться в эти нормы возможно только при Т]г > 0,99 на
всех режимах, включая режим «МГ». Для того чтобы нормы не ограничивали рост экономичности ВРД предусмотрено уве
личение допустимого DNOX/ /?В1Л при росте п к р.
Содержание дыма определяется по методу фильтрации, то
есть через белый бумажный фильтр пропускается 16,2 кг/м2
выхлопных газов, а затем |
определяется число дымности: |
SN = 100 % (1 - Rs / Rw), где |
Rs : Rw - абсолютные отражатель |
ные способности загрязненного и чистого фильтров соот ветственно.
(SN)aon =8,6(/?B3j-°'274 |
(6.7) |
Трудности создания КС с минимальной эмиссией всех ос новных вредных веществ связаны с тем, что СО, СНХпродук ты неполного сгорания, и для их уменьшения необходимо уве личивать время пребывания ПС tuc в КС, и увеличивать 7 ^ .
Однако при увеличении /пс в КС и увеличении Т^с > > 2000 К растет содержание NOx в выходящих газах.
Для обеспечения требуемых ИКАО на сегодняшний день норм выбросов достаточно совершенствовать процесс в первич ной зоне. Для этого нужно:
-применять испарительные форсунки;
-применять форсунки с воздушным распылом;
-применять многоярусное расположение форсунок;
-выбирать рациональный объем ЖТ.
Для радикального уменьшения эмиссии вредных веществ необходима разработка более сложных КС с увеличенным чис лом зон горения, каждая из которых оптимизируется на опреде ленный режим работы ВРД (рис. 6.14).
Рис. 6.14. Типы перспективных КС: а - двухярусная, б -двухзонная
В двухярусной КС (рис. 6.14, а) ярус 1 настроен на работу
на режиме «МГ» |
и |
при |
запуске двигателя (c Kmin => |
|
=> гпс |
=>Т т|г |
=>i |
EJ со |
сн ). Ярус 2 работает на ос |
новных режимах (cKmax =4> ;nCmin =>1 EJm%).
В двухзонной КС (рис. 6.14, б) зона 1 оптимизирована на режим «МГ» и запуск двигателя. Зона 2 - основная зона горе ния, в которую топливо подается только на основных режимах
работы ВРД.
Контрольные вопросы
1.Изобразить графически и пояснить характер зависимости температуры продуктов сгорания от коэффициента избытка воздуха.
2.Перечислить трудности организации горения в камере
сгорания ВРД.
3. Назвать и пояснить мероприятия по организации устой чивого горения в основной камере сгорания ВРД.