Камеры сгорания газотурбинных двигателей Пчёлкин Ю.М. (1014167), страница 53
Текст из файла (страница 53)
Исходя из последнего обстоятельства, при расчетах можно использовать наиболее удобные цепочки реакций, обеспечивающие максимальную простоту решения. Танич образом, диссоциацию любой молекулы можно, например, представить в следующем виде: АхВзС, = хА + уВ+ зС, где АхВзС, — диссоцииру1ощая сложная молекула; х, у й г — число атолюв в молекуле; А, В и С вЂ” атомы, на которые данная молекула диссоциирует.
Если в диссоциацни участвуют и получаются жидкие или твердые вещества, то оки соответственно учитываются, определяя конкретную форму записи константы равновесия. Расчет равновесного состава продуктов сгорания при высоких температурах. В высокотемпературных основных камерах сгорания ГТД, их камерах промежуточного подогрева газов, в форсажных камерах авиационных ГТД при Т„> 1800ж 2100 К расчет равновесного состава и температуры газов, определение теплосодержания газов должны проводиться с учетом диссоциации продуктов сгорания. Для этого удобно использовать методику, разработанную Л. П. Ваннчевым.
В качестве примера рассмотрим продукты сгорания углеводородного топлива в воздухе, Состав топлива (авиационное для реактивных двигателей): 86 згз Сз и 14 едь Нз. Считаем, что продукты полного окисления углерода и водорода (СО, и Н,О) диссоциируют по следующей схеме: Н,О ~ Н, + 1!2 Ом Н,О ОН+ 1/2Йз; Нз Н+ Н; О, О+ О; СОз. СО+ 1!20з; П2ыз+ 1!20з чь ХО. После диссоциации, в равйовесном составе продуктов сгорания будет десять компонентов: Н,О,' СОз, Не, Мз, О„ СО, ХО ОН, Н, О Их количество и парциальное давление неизвестны.
Для определения теплосодержания газов нужно знать давление газов, коэф. фициент избытка воздуха сьх и элементарный состав топлива (или же, что бывает редко, сал~ состав продуктов сгорания). При их ) 1 в равновесной смеси помимо продуктов полного окисления углерода и водорода, продуктов их разложения н азота будет присутствовать и избыточный воздух (дополнительно О, и М,). Удобно предварительно определить массовые доля всех компонентов, входящих в пРодУкты сгоРаниа до диссоциации: з~! о! дсо ', Чо , 'ды .
Общее количество пРо. дуктов сгорания на 1 кг сгоревшего топлива будет равно 1 + гг Ео. Количество угле. кислоты СО, определится соотношением (0,01 44!12) Су, воды (пара) (0,01 36!4) Нв и т. д. Следовательно, Ч!го 0*0862Сг!(1 ' с' !о)! Чн о 0 09 Нр~(1+ ххЕ„); ,!о — 0,232й„(гь — 1)!(1+ аг(. ); йм =- 0,768х Е ~(1+ сг 1. ). 215 Решение задачи об определении температуры равновесной смеси проводится л~етодом последовательных приближений. Начинаем с того, что задаемся значением искомой температуры равновесной смеси.'Неизвестными считаем парциальные давления всех десяти компонентов смеси, для нахождения которых надо составить де сять независимых уравнений.
Первые шесть выражений — константы равновесия процессов диссоциация р, = РН,УГРО,1РН,О; 1тр = РОгФ Р!Ь~РН О' 1тр = РН РИ ! 1тр, = Рв!РО~' 1тр = РСОТ РО, РСО ! р ! ко (! ! и:г Ро.)' Так как массы любых элементов до и после реагирования остаются неизменными, составим еще три уравнения материального баланса. Их удобно представить в относительной форме, связав массивные доли отдельных элементов с парциальными давлениями компонентов продуктов сгорания.
Отношение массовых долей водорода и углерода Н1С = 2рн о + 2Рп* + Рп + Рои !2(рсо, + Р о) углерода и кислорода !2(рсо и Рсо) О 262"Ь1о !6(2Р,О ' 2РО, + РСО+ РН,О+ РОН+ РЫО+ РО) азота н углерода О 768" й 1С = !4(2РЫ, + РЫО)1(!2(РСОэ ЬР О)!. Последним необходимым уравнением будет равенство всех парциальных давлений давлению системы: + .,+ +,+ ° + ° +Р + о+ + Итак, для заданной температуры смеси Т, система десяти уравнений позволяет найти десять неизвестных парциальных давлений, а затем состав равновесной смеси.
Решение»добно проводить, принимая какие-то три-четыре значения, например Ро, и пРовеРЯЯ пРавильность выбоРа по последнемУ УРавнению. По составу продуктов сгорания определяем теплосодержание смеси при заданной температуре ее Т,: 1,' =- Р. ' ~ 1гр;!Рх где и =- ',ьРР,.1Рх — сРеднЯЯ молекУлЯРнаЯ масса газовой смеси; 1! — теплосодержание одной молярпой доли газового компонента; р! — парциальное давление газового компонента. Подсчитав 1; для нескольких значений Т, можно построить зависимость 1; = = 1(Тс). Затем определяем теплосодержакие продуктов сгорания ! кг топлива при 293 К (1н) и их теплосодержание после сгорания 1, = 1„ + ьггп По 1 по графику 1; = '1(Т,) находим действительную температуру Т равновесной смеси.
Подсчитанная таким образом температура Тр равновесной смеси будет достаточно близка к реальной осредненной температуре Т„ процесса горения, существенно отличаясь от получаемой расчетным путем без учета диссоциации при повышенной температуре. Некоторое различие величин Тг и Тр может быть следствием возможных отличий (например по концентрациям и температурам) в различных частях рабочего объема зоны горения, а также строгости реализации 2!6 условий равновесности процесса и других моментов, связанных с механизмом химического реагирования горючих элементов топлива с кислородом реального рабочего тела, поступающего в камеру сгорания. Форсажные камеры сгорания Принципиальная схема форсажцой камеры сгорания авиационного ГТД представлена на рис. 116.
На входе в камеру расположен диффузор!О, в котором скорость газов, выходящих из турбины снижается до 100 †!60 м,'с для обеспечения возможности наиболее полного сжигания топлива в потоке горячего рабочего тела. Эти скорости значительно превосходят допустимые на входе в основную камеру.
Несмотря на некоторое уменьшение содержания кислорода в газах, поступающих в форсажную камеру из-за предшествовавшего |орения топлива в основной камере сгорания, процесс дополнительного сжигания топлива протекает в достаточно благоприятных условиях, так как температура этих газов более высокая. Кроме того, некоторое количество активных продуктов сгорания в смеси способствует ускорению химических реакций.
В форсажных камерах с более высокой средней температурой уходящих газов не предъявляют таких жестких требований к форме температурного поля на выходе, так как газы потом не попадают в проточную часть турбины. Это упрощает доводку камер, позволяя не так строго ограничивать положение зоны горения. В форсажной камере устанавливают стабилизаторы, чаще всего кольцевые, являющиеся плохообтекаемыми телами: конус (уголковый профиль), пластины и т.
д. Топливо подается в поток газов до стабилизаторов несколькими центробежными илн струйными форсунками, заранее испаряется и перемешивается с газом, в результате обеспечивается успешное сгорание за стабилизатором. Для улучшения перемешивания топливо может подаваться навстречу газовому потоку. Внутри корпуса за стабилизаторами устанавливают антивибрациониый экран. Обычно это тонкостенная труба с продоль- ~а„г Рис.
116. Схема форсажной камеры сгорания: т — калэцевоа топливный коллектор; а — стабнлвзатор; 3 — иаружныд кожух: а — анти. вибрацнанныя экран; 5 — охлаждающня воздух: 5 — механизм управления соплом; у— регулируемое реактивное сопла; а — корпус форсажноа камеры, 9 — форсунка; тр — диффузор; тт — обтекатель 8 пчелкин ю. и. 217 49 1 ~ 77 7т д м нд Рис. ! !7. Схема Гтд с форкамерои ! — форкамерз; 9 — злектрн !еская свеча зажнгання; 3 — форсунка форкамеры, 4 — воз.
духоподводьщая трубка; 5 — рабочнс йюрсункгг 1 и 1! топлнвных коллекторов форсажной камеры; 6 — пламяпередвющне перемычки кольцевых стабнянзаторов; 7 — ггаружный кожух; 5 — аптнвнбрацнаннмй зкран, 9 — механнзм управления соплом; гр — регулируемое сопло; 4! — корпус форсажной камеры; гу — «ольцевые стабнлнзаторы, гт — стойка внутреннего конуса; 44 — внутревннй конус, гб — газовая турбина ными гофрами и большим числом мелких отверстий. Назначение этого экрана — исключить вибрационное горение топлива, сопровождающееся сильным шумом и вибрацией конструкции, способной разрушить двигатель. Кожух камеры экранируют от пламени и покрывают как с внешней, так и с внутренней стороны теплоизоляционными материалайш.
Между корпусом и кожухом пропускается поток охлаждающего воздуха от компрессора двигателя, а чаще создаваемый за счет скоростного напора, пли эжектирующим действием уходящей газовой струи. Длина форсажной камеры достигает 1,5 — 2 м и зависит от скорости и температуры газов, схемы рабочего процесса, условий компоновки двигательной установки и др, Газы, температура которых за форсажной камерой составляет примерно 2200 К, выходят через регулируемое сопло. Если при включении форсажной камеры сечение сопла не увеличить, то давление за турбиной повысится, разность давлений до турбины и после нее уменьшится. Для сохранения частоты вращения тогда потребуется увеличить температуру газов перед ней, а это или нежелательно, или невозможно из соображений прочности и долговечности двигателя.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
