Камеры сгорания газотурбинных двигателей Пчёлкин Ю.М. (1014167), страница 28
Текст из файла (страница 28)
В этом случае, близком к горению пылеугольного топлива в камерах сгорания ГТД, получим г,"(а — 1)»и гз о Г1осле интегрирования и некоторых преобразований т„=- ~ ~»»з (ь(2фРао,)~ )1,,- 2Р,(а»зФ, (а),'Ф (а)1)Ф,(и), 109 где Ф, и Фо — функции только коэффициента избытка воздуха со. Прн этом, когда оо — ~- опо, Ф, — Фо — и ), 1Л; 2ОХ (то) = . — ! ! —; — /. поп 240а 1, аг ! ' (43) Для каменных углей, содержащих в своей рабочей массе Ао золы, 100 — Л о Врсмя ГОРЕНИЯ (тО)~п~п = 100' (тп)ппп С уЧЕтОМ ХавантЕРа ИЗМЕ- непия Ф, и Фо приближенно можно полагать Ф, =- Ф, тогда т, =- ==.
Ф, (т,),.пп,, Результаты расчета (т„) „, для ряда углей вполне удовлетворительно согласуются с результатами, полученными в целом ряде опытов. Решать практические задачи, связанные с расчетом горения твердого топлива, в настоящее время удается только приближенно, но обязательно с использованием экспериментальных данных. При проектировании любой камеры сгорания важнейшей задачей является определение размеров ее рабочего объема. Для этого необходимо найти размеры факела, т.
е. зоны горения. Излишняя длина жаровой трубы обусловливает увеличение размеров и массы камеры, потерь давления в ней; малая длина зоны горения — переохлаждение хвостовой части факела, ухудшение условий догорания и недожог топлива. Чтобы рассчитать границы зоны горения, ее длину (длину жаровой трубы) требуется решить следующие задачи: !) рассчитать движение рабочего тела в зоне горения; 2) определить скорость (время) горения частиц топлива в потоке; 3) выявить связи движения потока рабочего тела и частиц топлива.
После этого можно найти границу (длину) зоны горения. й 9. РАБОЧИП ПРОЦЕСС КАМЕР СГОРАНИЯ Схема процесса. Рабочий процесс камер сгорания ГТД очень сложен. Представление о нем проще всего получить, рассматривая отдельно его элементы и влияние на них различных факторов. Аэродинамика потоков воздуха и газа, характер подачи топлива и его смешения с воздухом, воспламенение и горение смеси, стабилизация пламени, условия тепло- и массообмена, закономерности выделения теплоты по длине камеры при горении топлива — это основные элементы рабочего процесса. Воздух, поступающий к камере сгорания 9, как правило, имеет значительные скорости юп (!50 †2 м!с и более), особенно при прямоточной схеме ГТД и поступлении воздуха непосредственно от компрессора.
Поэтому перед фронтовым устройством жаровой трубы б располагается диффузор ! (рис. 45), в котором скорость потока снижается в стационарных ГТУ до 45 — 50 м!с, в авиационных ГТД до 65 — 90 м'с. Затем через фронтовое устройство и ряды боковых отверстий в жаровой трубе подводится в зону горения первичный 110 Продул л олооа Рис. 45. Схема организации рабочего процесса в зоне горения воздух 6г, составляющий часть общего расхода воздуха 6, .
Этим обеспечиваются в зоне горения наивыгоднейшие концентрации смеси при коэффициенте избытка первичного воздуха ссг --- сгг =- 6,!(6,(.аа) = = 1,2 —:1,5. Часть первичного воздуха в количестве 64,р поступает внутрь жаровой трубы через фронтовое устройство непосредственно в начале зоны горения. Обычно величина схфп -— — 6фр!(6,Ь,) = =- 0,2 —: 0,5 (см. рпс. 28). При использовании лопаточных завихрителей радиальные и тангенциальные составляющие скорости потока значительные.
Осевые скорости ко в зоне горения (средние по расходу) обычно не превосходят !2 — !7 м/с, за исключением камер сгорания авиационных ГТД, здесь ю. может достигать 25 — 30 м!с. Воздух движется по спирали между зоной обратных токов К и внутренней поверхностью стенки жаровой трубы 8. Во избежание отрыва потока воздуха, вышедшего из регистра от стенок фронтового устройства, угол раскрытия его конической обечайкн О и угол закручивания потока лопатками завихрителя гр должны быть согласованы между собой. Хорошее обтекание диффузорной обечайки фронтового устройства получается при угле установки лопаток гр за 0,50.
Температура газа по сечению зоны горения возрастает от температуры Тс входящего воздуха у стенок жаровой трубы в слое, утончающемся по длине зоны, до температуры Т„(процесса горения) во фронте пламени у внешней границы ЗОТ. Внутри ЗОТ, заполненой в основном продуктами сгорания, температура почти не меняется и имеет большое значение, ! !! Структура течения, положение фронта пламени с точкой сгабилизации А и всего факела 5 в зоне горения схематически показаны на рис. 45. На выходе из лопаточиого завихрителя 3, кольцевая закрученная струя воздуха вследствие турбулентного обмена увлекает к внутренней поверхности часть горячих газов пз ЗОТ, и, перемешиваясь с ними, подогревается.
В зти же слои течения полым коническим потоком с углом (), из форсунки 2 подается масса распыленного топлива 6.„, обеспечивая здесь его максимальную концентрацию а.„, отмеченную на рисункс линией .И. После частичного испарения топлива, сначала его мельчайших капель в начале зоны горения, во внутренней части кольцевого потока, обтекающего ЗОТ, образуется подогретая паровоздушная горючая смесь.
Воспламеняясь под воздействием раскаленных газов ЗОТ, первые объемы горючей смеси обеспечивают подготовку к горению и воспламенение последующих порций смеси, образуя поверхность фронта пламени и факел 5. Фронт пламени начинается в точках стабилизации А, образующих в пространстве кольцо, т. е. в том ближайшем к фронтовому устройству сечении зоны горения, где скорость движения смеси будет равна скорости распространения пламени. От точек А, расположенных в пограничном слое кольцевой закрученной струи, поверхность фронта пламени будет формироваться в соответствии с характером зпюры скорости в основном осевой, образуя косой фронт пламени, описываемый законом Михельсона.
Как видно, основная масса топлива и воздуха (кольцевой закрученной струи) охватывает поверхность фронта пламени снаружи. Образующаяся здесь горючая смесь выгорает с внутренней стороны втой кольцевой струи. В нижней половине рис.
45 для сечений ! — 7 —: —:!П вЂ” 1П показаны типичные эпюры осевых скоростей по длине зоны горения. На границе ЗОТ осевая скорость ш„= 0 (поверхность К), в слоях воздушного течения, близко примыкающих к границе ЗОТ, градиент осевых скоростей, при котором обеспечивается интенсивное турбулентное перемешивание, очень большой. В ядре кольцевого потока осевые скорости значительны, что определяет увеличение толщины зоны выгорания (пламени) по длине.
На характер и положение поверхности фронта пламени обычно интенсифицирующее влияние оказывают боковые струи первичного воздуха. При увеличении глубины проникновения струи факел пламени может сильно деформироваться и даже разрываться. За струей могут образоваться отдельные зоны горения, увеличивающие общую поверхность факела и интенсифицирующие процесс дополнительной турбулизацией потока.
Известно, что в зоне горения камер турбулентность значительно больше, чем в шероховатыхтрубах: интенсивность турбулентности е за боковыми струями достигает 30 % и более. Изменения процессов тепло- и массообмена на различных режимах работы могут сказываться и на положении фронта пламени. В отработанных конструкциях это не приводит к резкому снижению качества процесса, а тем более к срыву горения. Условия стабилизации пламени на начальном участке жаровой трубы определяются ы3 фронтовыми устройствами.
Количество теплоты, выделившейся по длине зоны горения, определяется изменением коэффициента полноты сгорания топлива ц„. Характер кривой тепловыделения зависит от многих факторов и особенно от распределения и способов подачи воздуха по длине зоны горения (относительный шаг, диаметры отверстий, глубина проникновения боковых струй воздуха в поток газов и т. д.). Заметное тепловыделение начинается лшиь на некотором расстоянии от форсунки, где образовалось значительное количество паров топлива и горючей смеси.
Хотя боковые струи турбулизируют смесь, развивают поверхность пламени, при неправильном размещении и чрезмерной интенсивности струи они способны разрушить зону обратных токов и дезорганизовать рабочий процесс. Особенно резко ухудшается процесс горения при бедных смесях, может даже наступить срыв пламени. Выбор наилучшего профиля каналов, а следовательно, оптимального распределения подвода первичного воздуха по длине зоны горения -- важнейшая задача проектирования и доводки камеры сгорания.
От успешного се решения зависят основные характеристики работы камеры: полнота сгорания топлива и ее изменение при различных нагрузках, пусковые и срывные показатели, теплонапряженность и долговечность конструкции, поля температуры и токсичность газов, потери давления. Увеличением глубины проникновения боковых струй воздуха можно увеличить коэффициент полноты сгорания топлива, особенно при малых я„, но одновременно ухудшить характеристики срыва, сужая диапазон устойчивой работы камеры.
Зиачительпыс тепловые нагрузки объема камеры сгорания допустимы только при обеспечении надежной защиты стенок жаровой трубы и других деталей от перегрева. Стенки жаровой трубы изолируются от пламени потоком холодного воздуха, при этом необходимо обеспечить отсутствие около иих застойных зон и местных рециркуляционных токов, уменьшающих полезно используемую часть рабочего объема, обусловливающих местное нагарообразование, перегрев, короблепие и прогар стенок. Наиболее часто нежелательные обратные токи 4 (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
