Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А., страница 2

Гл. 9 и 10 посвящены топливам и методам их подачи в камеру. Хотя в гл. 9 приведены в основном данные о свойствах и характеристиках горения обычных жидких углеводородных топлив, некоторое внимание уделено в ней и газообразным топливам, а также влиянию, которое могут оказать альтернативные и синтетические топлива на конструктивный облик и характеристики камер сгорания. Проявляющаяся в последнее время тенденция к использованию топлив пониженного качества вновь усилила интерес к изучению процесса впрыскивания, методов измерения и определения различных характеристик топливного факела: корневого угла, кривых распределения, среднего диаметра капель.

Все эти вопросы обсуждены в гл. 10, где приведены также формулы для определения среднего диаметра капель, образующихся при распыливании топлива центробежными, пневматическими и вращающимися форсунками. Глава завершается разделом, в котором сравниваются различные метолы подачи топлива, включая систему с испарительными трубками. В настоящее время общепризнано, что загрязнения, генерируемые в процессе горения, представляют серьезную угрозу для окружающей среды.

В гл. 11 обсуждаются проблемы, связанные с механизмом образования загрязняющих веществ в камерах газотурбинных двигателей, и методы снижения их концентрации. Рассмотрены различные подходы к проектированию камер предисловие с низким уровнем вредных выбросов, например камеры с регулируемым расходом воздуха, с двухзонным горением и с использованием предварительно подготовленных «бедных» горючих смесей.

Мой интерес к проблемам горения в газотурбинных двигателях возник около трех десятилетий назад в годы приятной н плодотворной работы с Ф. (Даном) Джонсоном и его коллегами в отделе процессов горения фирмы «Роллс-Ройс» в г. Дерби. Позднее я перешел в Инженерно-механический институт (г. Кренфилд), где нашел чрезвычайно благоприятную обстановку для проведения исследований процессов горения. Я весьма обязан тамошним своим коллегам, и особенно аспирантам, усилиями которых были получены результаты, во многом определяющие качество этой книги.

Мне приятно также отметить влияние, которое в годы совместной работы оказали на меня коллеги из Детройтского отделения фирмы «Дизел Аллисон», особенно Сэм Рейдер, Боб Салливен и Джерри Томлинсон, ставившие передо мной ряд интересных проблем. Многие друзья и коллеги, владеющие специальными знаниями, любезно согласились просмотреть и прокомментировать соответствующие главы этой книги. К ним относятся д-р Е. Гуджер и проф.

Р. Флетчер из Кренфилда, проф. Р. Фокс из Лафайетского ун-та, м-р А. Льюис, работавший ранее в компании «Шелл» в Тортоне, д-р А. Новик из Управления исследований министерства обороны и м-р Н. Симмонс из корпорации «Паркер Хэннифэн». Приношу всем им глубокую благодарность, а также проф.

Дж. Чину из Пекинского института авиации и космонавтики, который во время пребывания в Лафайетском ун-те в качестве приглашенного профессора внимательно просмотрел всю рукопись книги и сделал много полезных замечаний. Я весьма признателен м-с Аманде Нимантсвердрит за ее весьма искусное печатание рукописи. Наконец, мне бы очень хотелось поблагодарить свою жену Салли за ее моральную поддержку и терпение, которое она проявила во время написания книги.

Артур Лефевр Основные сведения о камерах сгорания газотурбинных двигателей ВВЕДЕНИЕ Эта глава посвящена, в основном, обсуждению основных требований к камерам сгорания газотурбинных двигателей, а также описанию, в общих чертах, конструкций различных камер сгорания, используемых в авиационных и стационарных ГТД. Некоторые важные конструктивные особенности и проблемы, затронутые здесь, наряду с другими важными вопросами более подробно рассматриваются в соответствующих главах этой книги, В течение последних сорока лет хотя и постепенно, но непрерывно продолжался процесс совершенствования камер сгорания. Тот факт, что многие камеры сгорания ГТД, находящиеся сейчас в эксплуатации, сходны по размерам, форме н общему виду с теми, которые разрабатывалнсь много лет назад, не следует рассматривать как свидетельство недостаточного прогресса в этой области.

Близкое внешнее сходство камер сгорания ГТД различных поколений обусловлено, в основном, требованием, чтобы их габариты — длина и площадь поперечного сечения — укладывались в заданные пределы, связанные с размерами других основных узлов двигателя, а также требованиями снижения до минимума потерь полного давления в диффузоре и обеспечения устойчивого горения в широком диапазоне изменения отношения топливо/воздух.

Несмотря на усложнение условий работы — повышение рабочих давлений, температур и скоростей воздуха при входе, — камеры сгорания современных ГТД по-прежнему имеют близкую к 100 % полноту сгорания топлива во всем диапазоне рабочих режимов прн меньших потерях полного давления, с иженном овне выб оса в е ных прод ктов сгорания н при ресурсах, превышающих ресурсы многих других узл двигателя. Однако стремление к дальнейшему совершенствованию конструкции камер сгорания проявляется в настоящее время даже в большей степени, чем прежде. Разработка новых схем и конструкций необходима по-прежнему хотя бы для того, чтобы удовлетворить все более возрастающим требованиям к выбросу вредных веществ, а также к использованию в газотурбинных двигателях топлив ухудшенного качества.

Выдвижение этих дополнительных условий не сопровождается, однако, каким- 12 Глава а либо ослаблением традиционных требований к ресурсу, полям зсмпсратуры и высотному запуску. Фактически в связи с необходимостью повышения температур в горячей части двигателей эти традиционные требования, за исключением высотности запуска, все более ужесзочаются [1]. С другой стороны, требования к высотному запуску изменились за это время очень мало; до введения ограничений на выбросы вредных веществ именно они определяли наиболее форсированный режим, по которому выбирались размеры (объем) камеры сгорания. Однако требования к полноте сгорания топлива, которые выдвигаются в связи с законами о защите окружающей среды, подразумевают, по-существу, увеличение степени форсирования на режиме малого газа ]1].

В тех довольно частых случаях, когда условия на режиме малого газа становятся более тяжелыми, чем на режиме высотного запуска, выбор размеров камеры приходится производить, исходя из ограничений по выбросам вредных веществ. Помимо этих требований, налагаемых извне, существует также внутренняя необходимость в улучшении характеристик камер сгорания, обусловленная развитием и совершенствованием других узлов двигателя. По-прежнему, очевидно, сохранит свою важность требование уменьшения размеров и массы камер.

Чрезвычайно большие ресурсы, которые имели некоторые камеры сгорания, сконструированные в начале 1960-х гг., будет трудно превзойти при повышенных значениях рабочих температур, хотя в новых камерах используются более совершенные материалы и методы охлаждения. Настоятельная необходимость в улучшении таких характеристик двигателя, как его удельная масса и удельный расход топлива, требуют повышения температуры газа перед турбиной и большего, чем в настоящее время, соответствия фактического и расчетного полей температуры газа перед турбиной ]2].

В будущем все возрастающую роль, по-видимому, будут шрать требования более высокой надежности, большей долговечности и меньших производственных и эксплуатационных за.трат, С целью достижения таких характеристик ведутся поиски и исследования новых идей, которые позволили бы усовершенствовать не только конструкцию, но н технологию изготовления камер сгорания.

В результате этого были разработаны более совершенные системы охлаждения и более широкое распространение получили теплозащитные покрытия на внутренних стенках жаровых труб ]1]. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНСТРУКЦИИ Интересно хотя бы вкратце проанализировать соображения, которыми обычно руководствуются при выборе конфигурации и основных размеров традиционных камер сгорания. Такого Основные сведения е камерах сгорания Гтд 1З том ияо г рода данные позволяют понять, как определяются основные конструктивные характеристики, обеспечиваюгцие работу камеры сгорания. Эти данные определяют также пределы возможных изменений конфигурации и размеров камеры, при которых наилучшим образом могли бы быть удовлетворены весьма разнообразные требования к их рабочим характеристггкам, различным в зависи- зозЗул — ив мости от конструкции двигателя.

а На рис. 1.1, а показана схема простейшей камеры сгорания — прямой цилиндрический канал, соединяющий компрессор с турбиной. К сожалению, такое простое устройство не- Г а . ляяГ больших потерь давления. Потери давления, обусловленные подводом тепла (горением), в общем пропорциональны квадрату скорости воздушного потока. Поскольку скорость воз- воздух — ~ духа на выходе из компрессора близка к 150 м/с, потери давления при этом могут достигать четвертой части общего топливо повышения давления в компрессоре. Для снижения потерь давления до приемлемого уровня используют, как пока- воздух ~ Й вано на рис.

1.!,б, диффузор, гз) г с помощью которого скорость воздуха уменьшают приблизи- л тельно в 5 Раз. Однако одного Рис. 11. стадии развития схемы граэтого недостаточно, так как диционноя камеры сгорания газотурдля предотвращения срыва бинного двигателя. пламени и поддержания устойчивого процесса горения необходимо с помощью обратных токов создать зону малых скоростей. На рис.

1.1,в показано, как этого можно достичь посредством простой пластины. Такое устройство имеет, однако, один недостаток, который заключается в том, что необходимое для получения заданной величины повышения температуры отношение топливо/воздух, обычно близкое к 0,02, существенно превышает предел воспламеняемости смесей углеводородов с воздухом. В идеаль- Гпввв э ном случае коэффициент избытка топлива тр (ес)п(уа1епсе га1!о)" близок к 0,8, хотя, например при желании снизить уровень выброса окислов азота, эта величина может быть снижена до -0,6. Указанный недостаток может быть устранен, если простой стабилизатор заменить, как показано на рис.

1.1, г, перфорированной жаровой трубой. В жаровой трубе создается зона малых скоростей, в которой процесс горения поддерживается циркуляционным течением продуктов сгорания, непрерывно поджигающим поступающую в камеру свежую топливо- воздушную смесь. Избыточная (ненужная для горения) часть воздуха вводится в жаровую трубу за зоной горения, где она перемешивается с горячими продуктами сгорания, понижая таким образом их температуру до приемлемого для турбины уровня. На практике между первичной зоной горения и зоной разбавления часто предусматривают так называемую промежуточную зону, предназначаемую для устранения потерь, связанных с диссоциацией продуктов сгорания в первичной зоне.