Камеры сгорания газотурбинных двигателей Пчёлкин Ю.М.

Ю М.Пчелкин КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ТРЕТЬЕ ИЗДАНИЕт ПЕРЕРАБОТАННОЕ ИДОПОЛНЕННОЕ Допущено Министерствоге вььсаего и среднего снениального образовании СССР в качестве учебника для студентов вунтв, обунтитщинся по специальности 'Турбиностроеиие" МОСКВА МАШИНОСТРОЕНИЕ 1984 ВВК 31.365 П92 Уз«К 621.452.3: 621,43.056 (О 75,8! Рецензент: кафедра «Транспортные газотурбинные двигатели» Московского автомеханического института Пчелкин Ю. М. П92 Камеры сгорания газотурбинных двигателей: Учебник для студентов вузов, обучающихся по спе11иальности «Турбиностроение>. — 8-е изд., перераб.

и доп. — М.: Машиностроение, !984 — 280 с., ил. В перл 1 р. 10 к, Рассмотрены характеристики и свойства топлив, основы теорци горения, изложены особенности рабочего процесса, принципы и методики расчета и конструирования камер сгорания, их основные параметры, характеристиии и конструкции, вопросы моделирования. Третье издание дополнено материалзмп по теории горения, токсичности топлив и продуктов их сгорания, перспективным способам организации рабочего процесса камер, их проектированию. 2303020200-03! ББК 31.365 038(01)-84 6П2.24 Юрий Михайлович Пчелкин КАМЕРЪ| СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Редакторы: 3. М. Рябкова, Е.

В. Радев«кол Художественимй редактор С. С, Волчин ПеРеплет художника А. В. Козел««о Технический редактпр В, И. Орешкнна Корректоры Я. М. Угаче«о и А. Л. Сиза«а ИБ № 4054 СДаНО В ИабОР 20,03.84. ПОДПИСаНО В ПЕЧатЬ П.07.84, Т-1ОН8. ФОРМат 60Х909м. Бумага типограФская № 1, Гарнитура литературная. Печать вмсоиая. Уел.

печ, л.17,5. Уел. кр.-отт. 17,5. Уч.-пзд. л. 20,8. Тираж 4270 экз. Заказ 79 Пена 1 р. 10 к. Ордена Трудового Красного Знамени издательство Машиностроение», 107076, Москва, Стромынсний пер., 4 Ленинградская типографця № 6 ордена Трудового Красного Знамени ленинградского объединения «техническая кинга» им. евгении соколовой Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии н книжной торговли.

198144, г. Ленинград, ул. Моисеенко, 10. Издательство «Машиностроение», 1973 г, Издательство «Машиностроение», 1984 г,, с изменениями ПРЕДИСЛОВИЕ Газотурбинные двигатели (ГТД), стационарные газотурбинные установки (ГТУ) используются в различных отраслях народного хозяйства. В авиации ГТД вЂ” оснояигяе двигатели, позволяющие высокоэкономпчно получать большую мощность (силу тяги) при относительно небольших их размерах и массе и высокие летно-техни:ескяе качества самолета.

На газоперекачивающих станциях магистральных газопроводов установлены газотурбинные агрегаты, имеющие в качестве приводимой машины нагнетателп. В энергетике, водном и наземном транспорте, в нефтехимической промышленности ГТД и ГТУ применяются также достаточно широко. В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981 — 1985 годы и на период до 1990 годах подчеркивается необходимость улучшения использования топливно-энергетических ресурсов, сокращения потребления нефти и нефтепродуктов в качестве котельно-печного топлива. Газотурбинный двигатель может работать на любом, в том числе твердом, топливе.

Совершенно очевидна целесообразность сжигания в камерах сгорания ГТД тяжелых жидких, твердых и различных искусственных топлив из углей, сланцев, торфа, спиртов (метанола), водорода, технологических отходов других производств (доменного, коксования углей) и др. Опыт успешного сжигания в ГТД таких топлив уже имеется. При этом очень важно, что ГТД по сравнению с другими энергетическими установками характеризуется наименьшей токсичностью отработавших газов.

Камера сгорания — один из основных узлов ГТД, ее назначение — сжигание топлива и получение высоконагретого Рабочего тела. Надежность пуска и раьоты камеры сгорания, ее экономичность и долговечность определяют аналогичнье показатели ГТД. Организация рабочего процесса в камере сгорания ГТД существенно отличается от организации рабочего процесса других топливосжпгающих устройств. Так, например, тепловые нагрузки рабочего объема камеры в авиационных ГТД солее 7 МДж,'(м' ч П ), тогда как в топке котла паровых установок они обычно в 100 — 200 раз меньше.

В отличие от процесса сгорания в камерах поршневых двигателей процесс горения в камерах сгорания ГТД протекает непрерывно в потоке воздуха, движущемся с большими скоростямИ. ' Горение топлива является основой рабочего процесса камеры сгорания; химическая реакция, сложный теплообмен, диффузия, турбулентное перемешивание топливовоздушпых и газовых потоков, 3 и.парение, газгкрикация и др. В связи с трудностями строго теоретического анализа даже некоторых элементов рабочего процесса, например смешения сложных потоков различных температур, движения частичен топлива прн их выгорании, выхода токсичных продуктов, в настоящее время еще не созданы надежные методы аналитического расчета камер сгорания. Их проектирование пока в значительной степени связано с использованием опыта создания действующих образцов и специальных исследований.

Успехи теоретических и практических исследований за последние годы позволяют расчетным путем находить размеры и некоторые параметры, определяющие рабочий процесс и конструкцию камеры сгорания ГТД. В создании теории горения, исследовании рабочего процесса реальных конструкций камер горания велика роль отечественных ученых: Н. Н. Семенова, Я, Б. Зельдовича, Д. А. Франк-Каменецього, А. С.

Предводителева, Л. Н. Хитрица, Б. В. Канторовича, А. Г. Прудникова, Л. А. Вулиса, Г. Н. Абрамовича, Е. С. 111етинкова, Б. П. Лебедева, Г. Ф. Кнорре, Л. Н. Вырубова, Б. В. Раушепбаха и др. Развитие теории и достижения в создании двигателей в значительной мере определяются результатами работ и исследований, проведенных коллективами отечественных научно-исследовательских институтов, турбостроительных заводов и вузов. ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЪ|Е ОБОЗНАЧЕНИЯ ив А— СР г„— 0— Е— Р— 6— й Н— й— л— й— Ео й(— ш— Ф— Р О— ОР Р— /си г— 5— Т— и— 6— ш— сев ()т малярная концентрация, моль/мз; геометрическая характеристика центробежной форсунки; удельная теплоемкость при постоянном давлении, кДж/(кг.К); удельная теплоемкость при постоянном объеме, кДж/(кг К); коэффициент диффузии, мз/с; диаметр, м; энергия; площадь сечения, мз; массовый расход, кг/с; относительный расход; теплонапряженность рабочего объема камеры сгорания, кДж/(мз.ч Па); глубина проникновения струй воздуха в поток газов, м; порядок химической реакции; константа скорости химической реакции; длина, м; количество воздуха, теоретически необходимого для сгорания единицы топлива, кг/кг (кг/м'); длина, м; число Маха; малярная концентрация продукта реакции, моль/м', продукт реакции; давление, Па; количество теплоты, кДж/кг; низшая теплота сгорания рабочей массы топлива, кДж/кг; удельное количество теплоты, хДж/кг; газовая постоянная, Дж/(кг К); универсальная газовая постоянная, Дж/(моль К); длина цепи при течении цепной химической реакции; площадь, мз; температура, К; относительный размер (шаг решетки, размещения отверстий); скорость распространения поверхности фронта пламени, м/с; объем, мз; удельный объем, мз/кг; скорость химической реахции, моль/(мз с); коэффициент избытка воздуха; угол раскрытия топливного факела форсунки, ', стехиол1етрический коэффициент в уравнении химической реакции; степень не1завиомерности поля температуры газов на выходе из камеры сгорания, /е; коэффициент потери энергии; коэффициент полноты сгорания топлива в камере сгорания; коэффициент теплопроводности, Вт/(м К); стехиометрическнй коэффициент в уравнении химической реакции; коэф- фициент расхода; коэффициент кинечатической вязкости, мз/с; степень повышения давления; плотность, кг/мз; о — коэффициент потери давления; т — время, с; ф — коэффициент заполнения поперечного сечения сопла центробежной фор.

сунки; ф — коэффициент потерь; о> — частота колебаний, с ' ИНДЕКСЪ| в— вн— д— е— з— ив кр— ив о— ох— ив Р— с— т— у ф— ф,п— х— ч— ш— Щ— ив активный; воздух; внешний; газ; диффузор; эффективный; жаровая труба; зазор; камера сгорания; критический; начальный; отверстие; охлаждающий; продукты сгоравия; рабочий; смесь; топливо; удельный; факел; фронт пламени; химический; чистые продукты сгорания топлина (при аг = 1); шероховатость; щель; эквивалентный 1 ТОПЛИВО И ОСНОВЫ ТЕОРИИ ( ЦРЕН$~Я $ ! ° ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТОПЛИВА Органическое топливо до настоящего времени является основным источником получения энергии.

Поомышленным топливом называют вещества, способные в процессе сложных, в основном химических, превращений, определяемых как горение, выделять значительное количество тепловой энергии, которая может быть использована для совершения полезной работы. К топливам, используемым в технике, предъявляют следующие требования: !) наличие в большом количестве в природе при экономически рациональных способах добычи; 2) возможность использования значительной доли теплоты, выделяющейся при горении; 3) удобство применения продуктов сгорания в качестве рабочего тела в энергетических и технологических установках; 4) безвредность топлив и продуктов их сгорания для человека и окружающего мира; 5) возможность использования для сжигания достаточно доступного окислителя, например, воздуха (его кислорода); 6) стабильность свойств и характеристик при значительном изменении параметров внешней среды и рабочих условий.

Приведенному определению и перечисленным требованиям в наибольшей степени отвечают органические топлива, основу которых составляют углерод и водород. Эти элементы вместе с серой являются его горючими веществами. Все промышленные топлива содержат указанные вещества не в свободном состоянии, а в виде различных соединений: углерода с водородом, кислородом, серой, азотом и др.