Камеры сгорания газотурбинных двигателей Пчёлкин Ю.М. (1014167), страница 52
Текст из файла (страница 52)
В промышленной практике применяют специальные камеры сгорания промежуточного подогрева газов, близкие по конструкции 210 Рис. 11!. Циклы ГТУ с промежуточным подогревом газов к основным камерам сгорания, которые располагаются между группами ступеней турбины"или между отдель- ными газовыми турбинами установки. В стационарных ГТУ промежуточный подогрев газа целесообразно, б совмещать с промежуточным охлаждением воздуха в процессе его сжатия, а также и с регенерацией теплоты уходящих газов. Рабочий цикл такой установки в ТЯ-диаграмме показан на рис.
111. Линии Π— Т, О' — 1' и О" — 2 — сжатие воздуха в компрессорах низкого (КНД), среднего (КСД) и высокого (КВД) давления (рис. 1!2), Участки 1 — О' и 1' — О" — процессы охлаждения воздуха в промежуточных холодильниках (ПХ) между компрессорами. Участок 2 — 2' характеризует подогрев воздуха в регенераторе, а 2' — 3— подвод теплоты к воздуху в основной камере сгорания (ОКС). Линия 3 — 4 соответствует расширению газов в турбине высокого давления (ТВД). На' участке 4 — 3' дополнительно подводится теплота к рабочим газам в камере сгорания промежуточного подогрева (КСПП).
Линия 3' — 4' — процесс расширения газа в турбине низ- Рис. 112. Схема сложной газотурбинной установки: г — кспп; г — око; а — твд, е — квд; а — пх г; а — ретеаератер; г — Код; а— кнд;г — пх и го — тнд 211 св Рис. 113. Схема авиационного ГТД с двухстуненчатылг сгораниелг: ! — осевой компрессор; у — основная ка гера сгорания; 3 — турбина пысокого давления; 4 — камера сгоранв» пропел уто !лаго подогрева газон; 5 — турбина низкого давления кого давления (ТНД), линия 4' — 5 — отдачи теплоты газом в регенераторе и линия 5 — Π— условная линия отвода теплоты в атмосферу, соответствующая удалению отработавших газов в реальном цикле.
В авиационных ГТД также используется промежуточный (дополнительный) подогрев газа, но здесь редко устанавливается дополнительная камера сгорания промежуточного подогрева газов (рис. 113) между ступенями турбины. Топливо, как правило, сжигается за турбиной в форсажной камере сгорания 4, расположенной перед реактивным соплом 5 (рис. 1!4).
После сжатия и подогрева рабочего тела в основной камере сгорания следует расширение в ТВД. Затем газ подогревается в дополнительной камере сгорания и расширяется частично в ТНД, а частично в реактивном сопле или весь в реактивном сопле. В ГТД с форсажной камерой ТНД отсутствует и газы из форсажной камеры направляются в регулируемое реактивное сопло.
В авиационных ГТД, как правило, применяют форсажную камеру сгорания. В стационарных ГТД камеры сгорания промежуточного подогрева газов работают постоянно во время работы установки, увеличивая эффективность цикла. В авиационных ГТД форсажная камера чаще всего действует кратковременно, несколько минут и лишь на определенных режимах работы, когда требуется увеличенная тяга: 7 Гы Ф Х 77. 70 Рис.
114, Схема авиационного ГТД с форсажной камерой сгорания: ! — осевой компрессор; 3 — основная камера сгорания; 5 — газовая турбина: 4 — форсаж. иая камера сгорания; 5 — регулируемое сопло; а — антивибраднанный экран; 7 — корпус форсажной когеры; 5 — уголковыс стабилизаторы; 9 — тапливныс коллекторы форсажаой камеры; 70 — таплнаиыс форсуики; 71 — кожух 212 на взлете, для уменьшения длины разбега самолета, при его подъеме, когда нужно быстро набрать высоту, или при разгоне для резкого увеличения скорости.
Таким способом тягу авиационного ГТД на большой скорости полета удается увеличивать примерно в 2 раза, а на взлете на 30— 50 ~4. На некоторых двигателях форсажная камера рассчитывается на длительную работу. Использование форсажной камеры обычно увеличивает удельный расход топлива двигателем из-за дополнительных потерь давления в ее проточной части даже тогда, когда она не работает.
Влияние этих потерь велико на старте, когда от двигателя требуется предельная мощность (тяга). Для уменьшения потерь приходится максимально совершенствовать конструкцию камеры, ее отдельные элементы и качество течения ее рабочего процесса. Отмеченные обстоятельства, а также некоторые другие ~см. ниже) обусловили создание особых конструктивных форм и условий рабочего процесса в авиационных форсажных камерах сгорания, 'существенно отличных от условий сжигания в основных камерах, Камеры сгорания промежуточного подогрева газов стационарных ГТУ, расположенные между турбинами, и форсажные камеры авиа. ционных ГДТ, находящиеся за турбиной, как правило, имеют на входе значительные температуры, существенно превосходящие температуры воздуха на входе в основные камеры сгорания, что способствует течению химических реакций при окислении горючих элементов топлива.
Однако одновременно активизируется процесс диссоциации продуктов сгорания и ускоряются подготовительные стадии перехода к вибрационному и даже детонационному горению топлива. Это опасно для установки и поэтому всегда нежелательно. Для предупреждения опасных последствий нужно осуществлять особые конструктивные мероприятия, проводить специальную подготовку топлива, использовать присадки к ним и т. д.
Следует отметить, что установка дополнительных камер сгорания в проточной части ГТД между турбинами связана с увеличением потерь давления в общем тракте установки, а также рабочего объема и массы ГТД. Поэтому при разработке схемы двигательной "установки, использующей дополнительный подогрев газов в процессе их расширения, необходим не только термодинамический, но и техникоэкономический анализ. Проектирование и создание камер сгорания промежуточного подогрева газов, безусловно, требует особого подхода к конструированию и организации рабочего процесса камер сгорания промежуточного подогрева газов и форсажных камер, отличного от подхода к разработке основных камер сгорания ГТД.
При повышенном уровне температур газов, поступак>щих в форсажные камеры, на выходе из них газы имеют очень высокие температуры примерно 2000 — 2300 К. Для повышения эффективности работы транспортных ГТД и стационарных ГТУ также повышают рабочие температуры перед турбинами, Вот почему возрастает уровень температур в зоне горения форсажных камер, камер сгорания промежуточного подогрева газов и необходим особый подход к расчету состава продуктов сгорания топлива при высоких температурах. 213 фЩ Рис.
! гб. Схемы установления равновесия при химическом реагировании Равновесный состав продуктов сгорания при высоких температурах. Как известно, процесс диссоциации становится достаточно заметным уже при температуре примерно 1800 — 2000 К. Он резко усиливается с дальнейшим ростом температуры. Сжигание промышленных топлив приводит к образованию газообразных продуктов сгорания, парциальные давления которых в смеси разные, так же как и степени диссоциации. Кроме того, все исходные горючие соединения топлива обычно неизвестны, как и действительная цепь химических реакций. В общем случае между молекулами вещества А и М может происходить как прямое взаимное превращение по схеме А чм М, так и цепное, например через промежуточный продукт г': А Г и г" и М.
В любом случае условия химического равновесия предполагают постоянство концентраций всех реагирующих веществ. При этом для цепного превращения равновесие может достигаться по разным схемам и при различных скоростях прямых и обратных реакций. На рис. 115 показано несколько возможных случаев осуществления равновесного состояния. Рассмотрим позицию Ю в произвольный момент времени.
Молярные доли реагирующих веществ А, К и М будем для простоты считать равнымн единице (гг = = гр = т = !). Тогда ю1»1о! ю1»111 пг1 ' »1 ' 2 211 щ2 2 ' ю2 211' В момент равновесия для промежуточных цепей константами следует считать соотношения К =» Г», =а,У1 К = » Т», =/,т; К =-/г,г», = т,а. Изменения во времени концентраций веществ А, Е и М следующие: Ю2 ' 1 Щ1 Щ2' 1 ' 2 И12 1' С1аг,'122 ==- Гд1 + Щз — Га! — - 1321 Используя выражения для щ; получим г)а, гГт == ф +», т — о (»,,'- lгз); 4гмт = »,а+» т — 11»,,:— »,); г)гп г!т ---. »11 +».,а — т 1»1 -,'- », ).
В момент Равновесна Вап ат .= г()п'(т = Лтр'лт = О. ПолУченнаЯ система уравнений с учетом соотношений для констант равновесия дает возможность найти Д ап )и — (хзйа , йзй~ й~й1) ' (й!х1 1 й!Лз аз аз). По аналогии )(" = !'и'тп, а сзедовательно, К'" = тп!ар. В обЩем слУчае Равновесие системы, в которой протекает различными путями несколько реакций, может достигаться при множестве значений (сочетаний) скоростей прямых и обратных реакций. Прн этом состав равновесной смеси может быть различным. Для возможного проведения однозначных расчетов равновесных условий в настоящее время принято допускать, что при равновесии в сложной системе имеется равновесие у любой отдельно взятой реакции. Это означает равенство во времени скоростей прнмого и обратного превращений любых двух веществ Кроме того, концентрации всех веществ не зависят от пути достижения равновесия (числа и вида промежуточных реакций), а определяются исключительно внешними условиями (температурой и давлением газовой системы).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
