Камеры сгорания газотурбинных двигателей Пчёлкин Ю.М. (1014167), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Так как аг = — 6,,!(6,йе), то т р! Средняя теплоемкость смеси газов иа выходе пз камеры сгорания (! -'-!. ) с .'. (а — !) С с„ (77) г ! —; а,.!., После преобразованцй ! х- !.о се св ' ! —;а Г ( гя.п лв)' !78) Определение температуры степки жаровой трубы е „ *в» Рнс, Зб. Схемы охлвждення жаровой трубы Температура стенки жаровой трубы и ее равномерное распределение по се !енпю связаны с характеристиками процесса горения и определяют надежность работы камеры сгорания.
Для данного вида топлива и режима работы температурный уровень стенки в каждом сечении по ее длине остается неизменным. Он определяется тепло- и массообменом в объеме зоны горения поп данном законе выгоранпя топлива по ее сечению и длине в условиях меняющихся концентраций смеси, температ) ры и скорости движения газов. Неоднородность состава и температуры вызывает тепло- и массообмен в объеме газового потока зоны горения, который пока не удается рассчитать. Для определения температурного режима стенки жаровой трубы, ограничивающей горячий объем зоны горения, тепло- и массообмен удобно заменить эквивалентным воздействием факела горящего топлива, имеющего соответствующие (т<эффективные» значения) температуру, состав газов, их эмиссионные характеристики, скорость движения, определяющие потоки теплоты к стенке за счет излучения теплоты Оф л и конвектпвного тепло- обмена Оф я (рис.
56, а). Жаровая труба, воспринимая от факела суммарную теплоту Я,,„ передает ее частично корпусу излучением Яя л), а в основном охя с, а,=а лаждающему воздуху конвекцией ((1ж.„). Ог корпуса некоторое количество теплоты Я, теряется в окружающую среду, а большая часть Ям,к передается конвекцией охлаждающему воздуху, проходящему в зазоре между корпусом и жаровой трубой. Малая толщина стенки жаровой трубы (до 2 — 4 мм) при относительной равномерности ее температуры по длине позволяет, как правило, не учитывать передачу теплоты теплопроводностью и считать температуру внутренней и внешней ее поверхности одинаковой Тж = Тж,.
Таким образом, м'.Ф ЯФ.л 1 ЯФ.к= (Гж= Рвм.л Т'Яммк= Яв 1 Яв (ТО) где Я, — теплота, полученная охлаждающим воздухом, проходящим в зазоре между жаровой трубой и корпусом. При малых размерах камер и их внешней изоляции потери теплоты в окружающую среду не превышают долей процента (редко 1 — 2 %) общего тепловыделения. Поэтому можно считать 11, = О. Тогда Щ„.,„ = Як.„. СЛЕДОВатЕЛЬНО, ЯФ = Ям, = Я„ а яв = Юк.л т Юк. к = !мэм.
м+ Г!ж.м. (80) Для схемы с наружным конвективным охлаждением сплошной цилиндрической жаровой трубы уравнение теплового баланса ее элемента, отнесенное к единице поверхности стенки в данном сечении, ЧФ л + ЧФ. м = Чж. л ~ Чж. к (81) Величина ЧФ.м может быть значительной: до 40 % ЧФ. При ограниченной эффективности чисто внешнего воздушного охлаждения в камерах сгорания большой теплонапряженности были бы очень высокие температуры Твк стенки жаровой трубы. Поэтому в современных конструкциях приходится усложнять систему охлаждения жаровой трубы, используя, например, схему двойного внешнего и внутреннего конвективного ее охлаждения (рис.
58, б). Жаровая труба телескопического типа состоит из ряда кольцевых обечаек, в зазор й между которыми поступает кольцевая пелена воздуха, защищающая внутреннюю поверхность обечаек от конвективных потоков теплоты зоны горения. Так как при этом ЯФ „= О, на стенку воздействует только излучаемый поток теплоты ЯФ „. Кроме того, стенка дополнительно охлаждается, отдавая теплоту конвекцией Я'„, охлаждающей пелене воздуха.
Уравнение теплового баланса стенки в этом случае имеет вид ЧФ. л =. Чж. л + Чж. к .~ — Чж. к (82) Используя уравнение (81) или (82) и аналогичные им уравнения для других схем конструкций и охлаждения жаровых труб, можно определить температуру Тм,. для характерного или нескольких заданных сечений и тем самым найти общий температурный режим стенки жаровой трубы. Расчет проводится методом последовательных приближений.
Задавшись в соответствии с условиями работы или из общих представлений о работе камеры сгорания величиной Т (обычпо 960 †!130 К) и подсчитав по ией все составляющие уравнения теплового баланса, сравнивают правую и левую части этого !39 уравнения. Г!ри их равенстве заданная температура является иско- мой, действительной. В противном случае расчет повторяют для .(ру- гой температуры Ти,, Определение составляющих уравнения теплового баланса стенки жаровой трубы Сложность процессов излучения и конвекции в зоне горения камер увеличивается многообразием условий и параметров их работы, неравномерностью полей температуры, скорости и состава газов как по сечению, так и по длине.
Применяя общие положения теории, необходимо обращаться и к экспериментальным исследованиям для определения характерных особенностей. Ограниченность экспериментальных данных не позволяет пока создать общий надежный метод расчета теплообмена в камерах сгорания. Благодаря имеющимся экспериментальным данным получена конкретная методика расчета для некоторых частных случаев.
Излучение от факела к стенке. Излучение факела при горении газообразных и особенно жидких и твердых топлив помимо луче- испускания трех и более атомных газов включает излучение негазообразных частип, в основном сажи. В отличие от чисто газового такой факел, не будучи серым, имеет практически сплошной спектр.
Поэтому прин1имается 1)ф. л — повфвж (Тф ч Т» ) (83) где и, — константа излучения абсолютно черного тела; вф — степень черноты факела; е„' = 0,5 (1 + еи,.) — эффективная степень черноты стенки жаровой трубы; еи,. — степень черноты ее материала, для окисленной стали величину в„, в зависимости от Та,. можно найти по рис.
57. Величина Тф, — эффективная температура факела (в данном сечении), определяющая лучистый тепловой поток, идущий к стенке. т и Рис. 57. Зависимости для расчета жаровой трубы: а — т,(т, =1 (воино†=. 1: (1 ) " = й ('): ' Л,. =- 1,(та), е,и = (а (ти.) 1,У б) йу йу 0,7 т», к йэ 1, 4м с) йУ Тфяа/'Тт 1,г а) О,В йв й7 177 673 877 Тт,Т,К 'о гу ар 777 (40 В соответствии с законом Бугера средняя степень черноты фа- кела е — ! е — хз Ф где А /г,.
' к,. коэффициент ослабления лучей средой в объеме, представляемый суммой коэффициентов ослабления лучей соответ- ственно газами и частицами сажи; Я = 4Р„/Є— эффективная тол- щина излучающего слоя; )/„и Р,, — объем и площадь внешней по- верхности пространства, занятого факелом (зоны горения). По дан- ным исследований, /г,. — ~ ' — ! ~ (! 0,37 — '' ) (гн,о — ~- гяо,,), (84) т Р ("н,о ' 'ио,)-, где ги,о и гно, объемные доли соответственно водяного пара и трехатомных газов (СО., + 80,); р„— давление в камере сгорания; г/,к — диаметр жаровой трубы. Подсчитав средний коэффициент /г,. ослабления лучей газами по длине Е,. зоны горения, найдем его местные значения в любом сечении (85) /г, = — (0,94; 0,067,.) /г„, где /; =- /.,//, — относительная длина участка от форсунки до рас- четного сечения. Местные коэффициенты ослабления лучей сажистыми частицами /г = — — '~ (О 1 -'- ! 85 и )(1 6, !Π— зТФ 0 5) (Сп/Нп)э (86) т„, + где а,, — коэффициент избытка воздуха в зоне горения; Ст/Нр— отношение массовых долей углерода и водорода (по рабочей массе) в топливе.
Коэффициенты и и п представлены на рис. 57. Взаимосвязь степени черноты и температуры факела обусловли- вает нахождение всех эмиссионных характеристик методом последо- вательных приближещш из предположения, например, что сначала величина Тгю неизменна по длине и равна теоретической темпера- туре Т„подсчитанной ио коэффициенту избытка воздуха в зоне горения сс, Уточнить среднее значение Т„„ можно по результатам экспери- ментальных исследований, представленных на рис.
57 в виде за- висимости от числа Больцмана — г Чг~~~ ~ ~ гк В Во, туг г где Е, — поверхность стенки жаровой трубы; 1«„. — произвел т„ дение объема и средней в интервале температур воздуха и теоретической температуры горения теплоемкости газов, рассчитанной на 1 кг топлива нри данном а,„ Степень черноты га .— — е ь ~з при /г;...—:=/ '~(/г,. г/ц ), !4! Эффективная температура факела в,аооом сечении по длине зоны горения Т, = ЕТм,(1 е ""( ~ '); величина ! (87) П вЂ” 1;1(т,, — тф,,) т„, где ҄— теоретическая температура горения при коэффициенте избытка воздуха сс,, = 1.
Излучение от стенки к корпусу. От наружной поверхности жаровой трубы к корпусу (или экрану) поток теплоты излучением д„„= о,е„(Т;;, — 7',,). (88) Приведенная степень черноты поверхности е„= !аде„' е,' — 1, где е„. — степень черноты внутренней поверхности корпуса, е„. = = 0,8 —:1. Ориентировочно температура внутренней поверхности корпуса Т„. = Т„+ (20 —;50), ее можно находить и по экспериментальным данным (рис. 57) в зависимости от температуры воздуха Т, и величины А = 1„,./(р„ш,). Здесь ш, — скорость воздуха в кольцевом зазоре между жаровой трубой и корпусом. Конвективный тепловой поток от факела к стенке. Цилиндрическая жаровая труба (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
