Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А., страница 4

На рис. 1.4 показана также интересная конструкция диффузора, управляемого с помощью вихря, предложенная в работе 131. По существу это диффузор с «внезапным расширением», в котором для предотвращения отрыва потока используется эффективная система отсоса воздуха. Испытания кольцевых Да(рфдзееное а моделей с симметричным про(лечеиие | филем скоростей в начальном Ф сечении показали, что при числах Маха до О,З такой диффузор обеспечивает высокий коэффициент восстановления давления и быстрое выравнивание профиля скорости по длине. 6 При отсосе из потока, например, 5 е((р воздуха коэффициент восстановления давления мо(е жет достигать 0,95 на длине, не превышающей удвоенной высоты начального сечения.

Диф( с) фузор такого типа можно е использовать, конечно, только в двигателях, в которых сущеРу(с. 1.4. типы ае "паевых ьвффуапрпв ствует или допустим постояна — плавный; б — с внеаапным расширением: в — управляемый с помещаю вихря. НЫЙ ОТСОС Воэдука. Одиано, принимая во внимание все возрастающие потребности в воздухе для охлаждения лопаток, а также разработки перспективных схем двигателей, следует заключить, что это ограничение вряд ли помешает широкому использованию таких диффузоров в будущем. ПЕРВИЧНАЯ ЗОНА ГОРЕНИЯ В первичной зоне горения должны быть созданы условия для стабилизации пламени, а также обеспечены необходимые время пребывания, температура и интенсивность турбулентности, при которых может быть получена достаточно высокая полнота сгорания топлива.

2! Основные сведения о иамерак сгорания ГТД Первичные зоны бывают двух типов — «коробчатые», в которых образуется крупномасштабная циркуляционная зона, и а!ногаи(елевые («перечница») с вихрями существенно меньшего масштаба. Характерные особенности соответствующих устройств достаточно подробно описаны в работе [4]. Крупная зона обратных токов может быть создана с помощью малого числа крупных струй. В такой зоне смешение таблице Л2. Значения параметра топливной нагрузки, соответствующие максимальному тепловыделению в различных устройствах для сжигания топлива [2[ Параметр топливной натруакп, кт/м с кПа' Устройство Клк сжигания таплпаа Сферический реактор Лонгвелла с гомогенной горючей смесью и высокими (70 с(с) потерями давления на смешение Тот же реактор, гомогенная смесь, низкие (5 с!с) потери давления на смешение Первичная зона обычного типа при подаче гомогенной горючей смеси Первичная зона обычного типа при непосредственном впрыскивании жидкого топ- лива ЗВ!2 937 937 горючей смеси с продуктами сгорания протекает медленно, вследствие чего относительно невелика и максимальная скорость объемного тепловыделения, Рассматриваемый процесс горения устойчив в широком диапазоне изменения расходов топлива, а также при низких значениях давления в камере.

Мелкие зоны обратных токов могут быть созданы посредством большого числа мелких струй. Достигаемая в этом случае высокая интенсивность перемешивания приводит к большим скоростям объемного тепловыделения в смесях стехиометрического состава. Однако при этом, по сравнению с зоной обратных токов большого размера, сужается диапазон устойчивого горения и снижается экономичность при низких давлениях. Рассматриваемая система н сочетании с регулированием распределения расхода воздуха весьма перспективна в отношении снижения выбросов вредных веществ. Если бы процесс горения лимитировался только скоростями химических реакций, то объем первичной зоны можно было бы существенно уменьшить.

Продемонстрирована возможность достижения чрезвычайно высоких скоростей тепловыделения [5[. Однако в исследованном устройстве топливо предварительно испарялось и перемешивалось с воздухом вне камеры, а хорошее смешение горючей смеси с продуктами сгорания достигалось благодаря очень большому перепаду давления, под 22 Глава 1 г .у в которым горючая смесь подавалась в камеру [21. Если бы в исследованном сферическом реакторе [51 перепад давления был ейщественно снижен, то скорость тепловыделения в нем заметно упала бы и стала сравнимой со скоростью тепловыделения в обычной первичной зоне камеры сгорания, когда в нее — подается такая же предварительно испаренная и перемешанная топливовоздушная С- ч смесь.

Естественно, что если жидкое топливо подавать непосредственно в первичную 1! зону, то скорость тепловыделе— — ния снизится еще в несколько раз. В табл. 1.2 для сравнения приведены значения нагрузок, соответствующих максимальным скоростям тепловыделе- 1~Р 4- $ у ~ ния, которые могут быть до- стигнуты в различных устрой- ~" и )' уу.туп,' ствах для сжигания топлива. Скорости тепловыделения в работе [21 были рассчитаны для давления и температуры воздуха, соответствующих условиям окружающей среды.

Из табл. 1.2 следует, что в реальных устройствах для сжигания топлива не могут быть достигпуты скорости тепловыделения, полученные в работе [5], и что ожидать какого-либо успеха в этом отношении можно, вероятРнс. 15. Структуры теченкй в и р но, только пРи использовании внчной зоне. систем с предварительным пса — встречные струн: б — закрученный пс. ПарЕнИЕм и СМЕШЕНИЕМ тОпЛИ- так: в — закркченный натек н встречные а Однако в этом случае жается диапазон отношений топливо/воздух к, при которых обеспечивается устойчивое горение, и, следовательно, необходимо использование какого-либо устройства для регулирования распределения расхода воздуха, поступающего в первичную зону. Методика определения диаметра или высоты проточной части жаровой трубы, учитывающая требования к полноте сгорания топлива и потерям полного давления, изложена в гл.

5. После того как эти размеры установлены, перед конструктором встает вопрос о выборе длины первичной зоны. Зону обратных токов необходимого размера можно образовать, используя про- 23 Основные сведения о камарак сгорания Гтд тивоположно направленные струи, подаваемые радиально внутрь жаровой трубы (рис. 1.5,а), или закрученный воздушный поток (воздушные завихрители) (рис. 1.5,б). Наиболее благоприятные результаты получаются при использовании комбинированного струйно-завихрительного устройства (рис.

1.5, в), которое получило широкое распространение. Во всех указанных случаях движение воздуха в первичной зоне близко к круговому, чзо способствует уменьшению требуемой длины камеры сгорания. В связи с этим для большинства камер сгорания характерны близкие по значениям отношения 1./1л, что позволяет в небольших камерах сгорания получать высокие теплонапряженности, определяемые так, как показано в гл. 5.

Если требуется высокая скорость тепловыделения в камере сгорания больших размеров, то приходится создавать большое число зон обратных токов и соответственно большое число мест подвода топлива. Наглядным примером такого конструктивного решения может служить двухъярусная кольцевая камера сгорания, показанная на рис. 1.16, а. При этом можно существенно укоротить жаровую трубу, но ценой значительного увеличения числа топливных форсунок. ПРОМЕЖУТОЧНАЯ ЗОНА В любой камере сгорания достаточную по длине область должна занимать промежуточная зона, предназначенная для выполнения двух основных функций.

На малых высотах полета в промежуточной зоне должно происходить возмещение потерь, связанных с диссоциацией, а также догорание плохо перемешанных переобогащенных топливом газовых «молей» в локальных объемах. Потери из-за диссоциации обусловлены химической нестабильностью продуктов сгорания (двуокиси углерода СО, и паров воды НаО) при высоких температурах. Если даже предположить, что топливо сгорает полностью, то следует учитывать, что при температурах 2200 — 2400 К в первичной зоне происходит диссоциация СОг до окиси углерода СО, а также диссоциация кислорода и в меньшей степени НсО. В равновесной стехиометрической смеси при давлении 2 МПа и температуре 2350 К содержится около 1,5 с/а СО. Если такой диссоциированный горячий газ попадет непосредственно в зону разбавления и будет быстро охлажден большим количеством подмешиваемого к нему воздуха, то состав газа окажется «заморогкенным» и окись углерода СО покинет камеру с истекающими газами, не успев окислиться до СОг и выделить при этом соответствующее количество тепла.

Постепенное снижение температуры газов до некоторого промежуточного уровня, которое достигается добавлением небольших количеств воздуха, позволяет завершить 24 Глава ! окисление СО и процссс дожигания несгоревшей части топлива. На больших высотах полета (т. е. при низких давлениях окружающей среды) скорости реакций в первичной зоне становятся меньше и процесс горения не успевает завершиться к моменту выхода газов из первичной зоны.