Камеры сгорания газотурбинных двигателей Пчёлкин Ю.М. (1014167), страница 29
Текст из файла (страница 29)
рис. 45) возникают или непосредственно на выходе из лопаточного завнхрителя, или в зоне стыка диффузора фронтового устройства и первой обечайки жаровой трубы в результате несоответствия угла раскрытия конуса и потока воздуха. Их можно устранить, увеличив угол установки лопаток регистра, а следовательно, объем ЗОТ. Следует отметить, что потери давления ири этом возрастают, а в отдезьных случаях может ухудшиться и течение на выходе из камеры, где сохранятся закрученный поток и даже обратное течение.
Такие зоны целесообразно устранять изменением профиля стенок фронтового устройства или подачей воздуха через дополнительные отверстия 7. На размеры ЗОТ помимо закручивания потока влияют другие факторы. Так, например. прп течении воздуха в камере без подачи топлива ири огсугсгвии горения ЗОТ имеет больший объем, чем ири горении. Объясняется это тем, что температура газов растет, плот- ИЗ 0в ь" т 1 Рнс. 46. Схема влияния конструкции фронтового устройства на рабочий про- цесс камеры сгорания: т — лопаточнма аавнврнтель; 2 н Л вЂ” по- лоакеная коннчеснаа обечаакн фронтовоаа устроаст а, 3 — жеро»ая труба ность уменьшается.
Вследствие расширения основного потока, движущегося между жаровой труоой н ЗОТ уменьшается ее диаметр и даже длина. Как показывают исследования, структура потока в этих случаях не изменяется. Влияние отдельных факторов на рабочий процесс камер сгорания. Характер протекания и схема организации рабочего процесса камеры сгорания ГТД зависят от многих факторов. Начальные этапы формирования и развития процесса во многом зависят от конструкции входного дпффузора фронтового устройства, конструкции и характеристики работы форсунки, а также параметров воздуха Тн, ра и ш„на входе в камеру сгорания. При проектировании двигателя, чтобы уменыпить его размеры и массу, нередко приходится использовать короткие, с большим эквивалентным углом раскрытия криволинейные и даже не осесимметричные диффузоры.
В результате возрастают потери давления в потоке воздуха, повышается неравномерность поля скорости (давления) в потоке перед фронтовым устройством. Кроме того, наличие в воздушном тракте диффузора стоек, перемычек, трубопроводов, топливных коллекторов, деталей форсунок обусловливает значительную асимметрию структуры течения на входе в зону горения и даже иногда на выходе из камеры сгорания.
При этом увеличивается объем доводочных работ. Наиболее существенным оказывается влияние конструкции фронтового устройства. Исследованиями установлено, что изменением угла О наклона стенок переходного конуса фронтового устройства и угла гр установки лопаток регистра (рис. 46) можно влиять на течение потока газов в зоне горения. Рост этих углов (до' некоторых предельных значений) приводит к увеличению диаметра зоны обратных токов. Важно и взаимное согласование этих углов.
При чрезмерном увеличении угла О нли уменьшении угла гр может появиться отрыв потока от стенок переходного конуса, с образованием периферийной цнркуляционной зоны В. При этом условия стабилизации пламени могут помимо точек А возникнуть в точках А'. Появится новый, второй фронт пламени Б' одновременно с расчетным Б или вместо него, К новому фронту Б' горючая смесь поступает не с внешней, а с внутренней стороны, так как он расположен близко к стенкам трубы.
При таком его положении температура стенки повышается, а это связано с нагарообразованием, короблением и прогаром металла. Поля температуры газов за камерой при этом искажаются. Положение самого фронта пламени становится менее устойчивым, !14 во-первых, из-за недостаточности периферийной рециркуляционной зоны и, во-вторых, ввиду того, что течение закрученного воздушного потока с регулярными отрывами от стенок переходного конуса ведет к колебаниям состава образующейся горючей смеси и возможности возникновения пульсирующего горения всего потока топлива.
Этот вид горения недопустим. Как показали результаты исследования, на рабочий процесс камеры существенно влияют характеристики работы форсунки, физико-химические свойства топлива и параметры воздуха на входе. Например, подавая жидкое топливо форсунками в зону горения, его стремятся распылить на гамму мельчайших капель размером 50 †1 мкм, поскольку'от их размера зависят скорость прогрева и испарения капель, образование горючей смеси, а следовательно, качество выгорания топлива. Так, в некоторых опытах с камерами сгорания авиационных ГТД с увеличением среднего диаметра капель от 80 в 100 до !40 в 150 мкм коэффициент полноты сгорания топлива 0„ уменьшался па 20 — 30 )',. Влияние размера частиц особенно усиливается при увеличении вязкости топлива.
Конечно, в данной конструкции камеры с ее параметрами работы и распределением воздуха оптимальным для горения сравнительно крупных капель, просто уменьшение их размеров может скорее всего привести к менее полному выгоранию топлива, особенно при малых сг; в начале зоны горения. Капли меньшего диаметра быстрее подготовляются к гореншо, для их горения нужен ранний подвод первичного воздуха. Аналогично надо подходить и к влиянию температур воздуха и топлива. В принципе их возрастание повышает эффективность процесса.
Подогрев топлива особенно нужен при значительной его вязкости (более !О в 15 мм'!с). Он приводит к особенно заметному повышению ~1„ при значительных ах, расширяя пределы обеднения смеси беэ заметного снижения й„ и увеличивая а,п„ при котором достигается ~1, „.
Чем тяжелее топливо, тем на более высокую температуру оно подогревается. Однако при перегреве топлива ц„ может снизиться из-за переобогащения смеси на начальных участках зоны горспия и ухудшения смссеобразовапия вследствиеизменения траекторий движения капель нового размера, а также обеднения смеси в периферийных областях зоны горения. Зависимость ~1„и ~1,,„,„., при сг„,., от температуры топлива Т, имеет экстремум. Обычно рост ц,.„„.„наблюдаешься при подогреве топлива до температуры, блпзкон к температуре его кипения.
При изменении режима работы ГТД физико-химические свойства топлива существенно влияют на качество его сгорания. На расчетном режиме можно хорошо организовать выгорание практически любого топлива. При изменении режима, например, понижением нагрузки, падение температуры, давления воздуха и расхода топлива (рост ах), естественно, отразятся на полноте процесса горения. Топлива с высоким давлением насыщенного пара и пониженным содержанием ароматических углеводородов будут выгорать с большей полиотои. Вол."е тяжелые по фракционному составу топлива с ростом ов сгорают менее эффективно, чем легкпс.
Однако если мх станет меньше оптимального для легкого топлива, то тогда тяжелое топливо может выгорать лучше, так как для не~ о ц,, „„, достигается обычно на более богатых смесях. Замена, таким образом, тяжелого топлива легким в некоторой степени аналогична подогреву илп улучшению качества его распылпвапия. Отклонение от расчезиых форспровок камеры сгорания по скорости воздуха на входе (особенно увеличение) ведет обычно к снижению полноты сгорания топлива в основном из-за уменьшения времени его пребывания в зоне горения.
При чрезмерном уменьшении скорости воздуха процесс чаще всего также ухудшается вследствие снижения скоростей перемешивания, распростра~ения пламени и,, и изменения аэродинамической структуры течения. Отмечено, что каждый вид топлива имеет определенный оптимальный объемный расход воздуха, при котором процесс горения происходит наиболее качественно. Оптимальный расход уменьшается, например, при увеличении теплоты испарения. В этом случае, ускоряя испарение топлива (подогревом, улучшением распыливания), можно ослабить отрицательное влияние форсировки по скорости воздуха.
Время пребывания топлива в зоне горения, которое должно несколько превышать время, необходимое для его горения, зависит от траектории движения частицы топлива в зоне горения. Изменяя угол раскрытия топливного факела р, на выходе из форсунки, можно менять место и время пребывания топлива в объеме зоны горения. Топливо может по-разному насыщать слои потока первичного воздуха, при этом изменяются условия подогрева, испарения, смешения его с воздухом и горения. Так, например, при малом давлении воздуха и росте х уменьшение угла р, обычно приводит к снижению т!„, особенно если уменьшается и активный перепад давлений Лр„под которым топливо подается форсункой, что ухудшает качество распыливания.
Тогда эффективны подача топлива через форсунку навстречу потоку воздуха, увеличивающая время его пребывания в зоне горения, пли использование специальных конструкций форсунок, например, с предварительным воздушным распыливанием. Жаровая труба с лопаточным завихрителем в центре фронтового устройства (см. рис. 45) является типичной и наиболее распространенной у камер сгорания ГТД любого назначения. На рис. 47 показана схема жаровой трубы 4 с полусферическим фронтовым устройством 2 жалюзийного типа (терки) и обтекателем 3.
Система прорезей с отгибом краев щелей в виде козырьков создает за собой течение воздуха (часто закрученного) в виде пелены, стелющейся по внутренней поверхности полусферы. Так как расход воздуха бф,, идущего через такое фронтовое устройство, невелик, всего 3 †% 6„, толщина потока тоже небольшая и скорость не превышает 10 — 15 м/с. Интенсивность турбулентности е здесь очень высока (до )00 ")„). Под воздействием пелены воздуха и боковых струй газ внутри передней части зоны горения приходит в движение с образованием в центре ЗОТ ограниченной на рисунке штриховой линией К. По!ю Рис. 47. Схема рабочего пронесся камеры сгорания без лопаточного завихрителя скольку толщина воздушного пристенного слоя мала, то диаметр ЗОТ здесь значительно больше, и зона рециркуляционного течения занимает почти всю площадь поперечного сечения жаровой трубы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
