Камеры сгорания газотурбинных двигателей Пчёлкин Ю.М. (1014167), страница 34
Текст из файла (страница 34)
В 11. ОСНОВЫ РАСЧЕТА КАМЕР СГОРАНИЯ Методика гидравлического расчета Главная задача гидравлического расчета — определение потерь полного давления и распределения газовоздушных потоков по трактам камеры сгорания. В ходе расчета выявляются места и формы 133 наибольших потерь, характер изменения давления в отдельных каналах и камере. При проектировании новой камеры сгорания эта задача входит в общий ее расчет в отличие от самостоятельного поверочного гидравлического расчета уже созданной или спроектированной конструкции. Система гидравлического расчета, использующая метод последовательных приближений, достаточно проста и в настоящее время вполне определенна.
Отдельные элементы расчета применительно к различным схемам конструкций камер могут выполняться поразному. Следует отметить, что способы выполнения отдельных расчетов непрерывно совершенствуются по мере накопления знаний и успешных результатов их анализа. Рассмотрим принципиальную систему гидравлического расчета на основе изложенного. Для проведения расчета должно быть задано следующее: температура Т„, давление р„н общий расход воздуха 6„на входе в камеру; температура газов на выходе из камеры Т„(вместо которой может быть задан или расход топлива 6„ или общий коэффипиент избытка воздуха а,); все геометрические размеры камеры сгорания и ее элементов, в том числе расположение, размер и число отверстий для ввода первичного, охлаждающего и вторичного воздуха.
Проходные сечения каналов удобно показывать на схеме камеры (рис. 55, а и в). Расчет проводится в следующем порядке. 1. Определение характерных параметров на входе в камеру: удельного объема о„= гсТ,)р, воздуха в сечении 0 — О; площади Р проходного сечения для воздуха; скорости ш„= 6,о„/Р. воздуха; скорости звука а„по температуре Т,; числа'Маха М„= ш,Уа„на входе. Некоторые параметры газа удобно определять, используя таблицы газодинамических функций. Г2. Расчет площадей Р; всех проходных сечений.
3. Расчет в первом приближении расходов воздуха (газа), проходящего через каждое сечение Р;: 6; = Р,р;1'2Лр'о, Перепады статических давлений н удельные объемы рабочего тела везде полагаются одинаковыми. Сумма соответствующих расходов ~~ 6;, = 6'„должна быть равна заданному расходу воздуха 6,, (6,.). — о; г,.„,. Относительные расходы по сечениям 6' = —,' где ц; — коэффициент расхода в соответствующих сечениях (отверстиях, щелях и др.). 4. Определение потерь полного давления по тракту вторичного воздуха, т. е. потерь на трение и удар во входном диффузоре, потерь в кольцевом зазоре между жаровой трубой н корпусом; длину канала делят на участки с различными расходамп воздуха.
Кроме того, определяют все параметры по тракту (р;, ро То в;) с использованием газодинамических функций. 5. Расчет всех параметров газа (в частности полного и статического давления) по длине жаровой трубы. Перепад давлений на входе в жаровую трубу Лрж„= бюбфнхрвюа. 134 где Ч„'„— коэффициеиз потерь на входе (во Ч!ронтовоз! устройстве), обычно ф~, = 0,8 —:1; р„и ш, — плотность н скорость воздуха перед фронтовым устройством.
Затем расчет ведут по участкам внутри жаровой трубы, разбивая ее длину на отдельные конические и цилиндрические элементы. На каждом участке отдельно рассчитываются потери давления на трение, смешение потоков и потери при подводе теплоты. Подсчитав общие потери давления в жаровой трубе Ьр,*„, находят для контрольного сечения и в конце жаровой трубы полное и статическое давления. На выходе из камеры Р„", = Р*,:= Р*,, — Ло„, — ЛР,", — Ьр,"и — Лр,' — Лр,".. В качестве контрольного выбирают сечение, где весь первичный воздух уже введен внутрь жаровой трубы, лучше в конце зоны горения. б.
Расчет перепадов статических давлений (на основе результатов первого приближения) в каждом сечении для каналов, по которым воздух вводится внутрь жаровой трубы: ЛР! = Рз; Рип где Р,, — статическое давление в кольцевом зазоре по тракту вторичного воздуха в данном сечении; р.„,, — статическое давление внутри жаровой трубы в данном сечении. 7. Подсчет во втором приближении отдельных расходов воздуха: 6;:=- Р,р! ! 2ЛР,1о, . Суммарный расход соответствующих потоков ч'6 = 6;; должен быть равен расходу воздуха на входе в камеру сгорания.
Часто второе приближение не дает совпадения 6;; и заданного 6„. При разности 6'„' и 6„, больше допустимой (2 — 3 %) расход находят в третьем приближении: а) определяют относительные расходы воздуха 6; = 6/6,; б) подсчитывают расход воздуха в каждом сечении в долях 6„; 6,=6,6,. Здесь 6, действительный расход воздуха. Затем расчет неоохо,п:мо повторить, начиная с и, 3.
Определение состава газа на выходе из камеры сгорания Выше рассматривался вопрос об определении количества отдельных продуктов реакций окисления гор!очих элементов топлива и их суммы после сгорания единицы массы этого топлива в теоретически необход гмоп (стехиометоическом) количестве воздуха й„, когда коэффициент избытка воздуха я,, = 1. Газы, получающиеся прп этом, называют чистыми продуктами сгорания.
В камерах сгорания ГТД аа -й 1, как правило, а, .' 1. Следовательно, прп сгорании каждой единицы топлива в газах кроме чистых продуктов сгорания будет присутствовать избыточный воздух в количестве (ав — 1) Е„. Таким образом, определить состав газов за камерой сгорания можно, зная величину а . Ге находят из уравнения теплового баланса камеры сгорания, связывающего количество зеплоты, поступающей в камеру и уходящей из нее.
!35 Уравнение теплового баланса камеры сгорания, отнесенное к ! кг топлива, прп использовании шкалы Цельсия п температуры в 0 оС имеет вид ! 7'„ !Тв ~' г ах(.,1; ~ + Я = (! + мх1.,) („' ~ (70) = ! ! + ах(.,) (;.! в Заметим, что 1; ~ — (,* = 1,*~ „, если температура Т, *больше ~о ' о ' ~!т„"' Т; = 288 К. Тогда после преобразований уравнение теплового баланса примет вид т)Д„ = (! + ав1.,) 1„~ ', — аз1.,1,~ '„ — 1, ',.
(72) " ~то ' !То То !Зб Первый член левой части уравнения выражает теплосодержаиие ! кг топлива при его температуре Т; перед форсуикой; второй— теплосодержание воздуха, приходящегося иа ! кг топлива при его температуре на входе в камеру Т"„; третьй член — теплоту, выделив- шуюся при горении 1 кг топлива и действительно затраченную на нагревание рабочего тела. Правая часть уравнения — это теплосо- держаиие газов, выходящих из камеры сгорания с температурой Т„". и,", В уравнении (70) 1; ~ '=г, Т*, — с, 0 = с, Т"„где с„— средняя массовая теплоемкость воздуха в интервале температур от 0 'С до Т,". Величина 0 = Ж, — 1(п,о — амоко 11 ов где Я~ — высшая теплота сгорания ! кг топлива на рабочую массу при 0 'С 9и,о — теплота парообразоваиия; Я„р — теплота, пере- даваемая камерой сгорания в окружающую среду; Яо,а — теплота, потерянная вследствие механического и химического иедожога топлива, а также диссоциации.
Зная высшую теплоту сгорания топлива Яо „определяемую при стандартной температуре калориметрироваиия Т,*, используя закон Гесса, величину С( „определяют как сумму Кт, и разности тепло"в содержаний продуктов сгорания и исходной смеси при соответ- ствующих температурах. Так как 1(во,, = 1(оот„+ 0п,о, опуская 'о 'о для упрощения индекс Т„' для Я при стандартной температуре, по- лучим К = ©,'+ Яп,о. Тогда, считая равными теплоты парообра- зования при 0 С и стандартной температуре Т„ *найдем Я,", =--!!",, и-Юн,о-~- !!! -'газ(,)1, ( --сох(,,(.~ — 1, )™1.
(7!) Подставляя полученное выражение в уравнение теплового ба- ланса и обозначая К вЂ” Я,во — Яо,о = о)До„ получим . !То" в т;, Л„' 1, ! а 1.,(, .,'. о)До —; !! -)-аз(.,)1„~ а'1„1, —.- (,~ о о о Следовательно а„= 1!Д~ — 7„), -- 7, ) ./[!., ~7„(, - 1„( ",)1 илн »!Д,' — (с Т, '— с Т*) Ь (с Т, *— с„Т*) (7 ! [ ( с Т ср Т о ) ( с Т с р Т ) ] Коэффициент полноты сгорания топлива »1, = [(1,'- сох!.,) 7„~ „-. ах!.,1„~ .
— 7, ~ .1(Я„' или в развернутом виде 11; .= [(! -ь а !.„) (ср Т,". - - ср Т;) — аз(.в (ср Т„*с, То') — (ср Т1 .— ср То)]!Рн (74) Полученное выражение для коэффициента полноты сгорания топлива т1, используется прн обработке результатов экспериментальных исследований и построении характеристик работы камер сгорания. Для подсчета аз по уравнению (73) должен быть известен состав газов, по которому находится его средняя массовая теплоемкость иа выходе из камеры с . Чтобы определить аз, не Г' прибегая к методу последовательных приближений, представим продукты сгорания 1 кг топлива при данном ас в виде суммы чистых продуктов полного сгорания 6» „в количестве (1 + Е„) кг на 1 кг топлива и избыточного воздуха.
Количество этого воздуха на 1 кг сгоревшего топлива составит (1+ аз(.„) — (1 + 7,„) = (аз — 1) !-в. Уравнение (73) примет вид цД,'",=-(! - !.„) 7„„! "-'-(ах — 1)!.»1,'] '„' — ах!.в!.~ '. — ! / . тв ~т„* ~т„' "» или т!гаев (1 ! 7») !». п! Г со(в(, + 7»!. =аеСа!в! откуда ,рИ вЂ” ( + )(, : — , .") + ' (, ; — , ')— + (с Т," — с Т') (75) (с Т, -- с Т ) Средняя массовая теплоемкость с, чистых продуктов сгорания при постоянном давлении определяется по известным составляющим этих продуктов. Средняя молярная теплоемкость чистых продуктов сгорания (рср)» о = (!сср)но тао + (!(ср)к тк Яср)н отн о, тде тао, — объемная доля в чистых продуктах сгорания СО, н 80в; (рср), — молярные теплоемкости соответствующих веществ; тн, и тп,о — объемные доли соответственно Хв и НвО.
х т Мол ярная масса чистых продуктов сгорания р н „= р по,гп о„+ + )ткпгн, + )ти,ог!!,о. Средняя теплоемкость чистых продуктов сгорания сгя „= = ()тс„)„„!!тыо о. Подсчитав х„можно определить относительный расход топлива 6т = а,!6, (6т и 6„— секундные массовые расходы соответственно топлива и воздуха, поступающие в камеру сгорания).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
