Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 23
Текст из файла (страница 23)
За этой областью дальнейшее торможение потока происходит в результате втекания воздуха в жаровую трубу. Необходимо, чтобы течение в области торможения было безотрывным, т. е. соответствовало значениям параметров на диаграмме режимов ниже линии а — а (рис. 3.7, 3.10 и 3.12). Потери давления на каждом участке диффузора можно рассчитывать при помощи диаграмм, полученных в работах [2 — 8, 21, 22, 38) и показанных на рис. 3.7, 3.10 и 3.12. Диффузор с плавным кон~уром имеет большое число диффузорных участков с весьма малыми высотами проходных сечений. По этой причине размеры указанных участков, а следовательно, и эффективные значения отношения площадей особенно подвержены изменениям, 'происходящим при изготовлении камер, при отличающихся термических расширениях жаровой трубы и корпуса, а также при термических деформациях камеры на различных режимах работы двигателя.
Другим недостатком плавного диффузора является большая чувствительность распределения воздуха между внутренним н наружным кольцевыми каналами к изменениям профиля скорости на входе в диф- Диффтзорм фузор, от чего в свою очередь зависит распределение подачи воздуха через стенки жаровой трубы. Этот эффект несуществен при малой скорости потока на входе, поскольку скоростной напор составляет столь малую долю полного давления, что распределение расхода воздуха определяется падением статического давления вдоль камеры сгорания.
В результате картина течения остается не зависящей от изменений профиля скорости на входе. При высокой скорости потока на входе значительную часть полного давления составляет скоростной напор, и падение статического давления в камере сгорания соответственно уменьшается. При этих условиях распределение скоростного напора на входе контролирует распределение расходов воздуха по длине камеры сгорания. В случаях плоского или симметричного профилей скорости это нс приводит к особым трудностям, так как увеличение скорости потока лишь соответственно увеличивает потери давления в диффузоре. Однако на самом деле увеличение скорости на выходе из компрессора почти всегда сопровождается таким искажением профиля скорости, что сбалансированное распределение воздуха по жаровой трубе становится по существу невозможным.
Сбалансированность аэродинамической картины течения в жаровой трубе означает симметрию потоков массы противоположных струй воздуха, глубины их проникновения и количества движения. Если профиль скорости на входе в камеру сгорания равномерен, то можно добиться симметрии всех трех этих характеристик. Для неравномерных профилей, у которых максимум скорости смещен к наружной или внутренней стенке диффузора, только две из указанных характеристик можно сделать симметричными. Путем соответствующих изменений площадей проходных сечений и отверстий в жаровой трубе конструктор может обеспечить симметрию выбранной пары величин, но картина течения в целом все же останется несбалансированной.
Форма несимметричного профиля скорости различна для разных режимов работы двигателя, а также разных экземпляров компрессора одной и той же конструкции. Проектирование диффузора для нового двигателя обычно основано на расчетном или предполагаемом ниде профиля скорости на его входе. Однако при доводке двигателя и его серийном производстве этот профиль может изменяться. Таким образом, серьезным недостатком плавного диффузора является его чувствительность к таким изменениям.
Описанные выше трудности до некоторой степени можно уменьшить путем установки преддиффузора, за которым располагается короткий успокоительный участок. Другим решением является перепуск воздуха из воздухозаборника на жаровой трубе в наружный и внутренний кольцевые каналы (рис. 3.24). В этом случае воздухозаборник выполняет роль рссивера, пз Глава 3 118 которого воздух поступает в кольцевые каналы, причем с боль- шим расходом в тот канал, где в результате искажения профиля скорости расход воздуха уменьшился.
Диффузор с внезапным расширением Существующая тенденция к увеличению скорости на выходе нз компрессора усугубляет многие трудности в работе плавных диффузоров. Ввиду этого возник интерес к разработке так называемых диффузоров с внезапным расширением проходного 2 Рис. 3.24. Лнффузор со щелями для балансировки давления 139Р 1 — лиффузорный канал: 1 †успокоительн полость.
Рве. 3.25. Кольцевой диффузор с вне- запным расширением. 1 †успокоительн участок; У вЂ участ диффузариого течения. сечения (рис. 3.25). Начальный участок такого устройства представляет собой короткий обычный диффузор, в котором происходит уменьшение скорости воздуха до уровня, приблизительно равного 60% ее начальной величины. Затем, в противоположность обычным принципам проектирования диффузоров, поток воздуха «сбрасывается» в широкую полость, где он разделяется на потоки воздуха, обтекающие жаровую трубу. Зоны циркуляции течения, возникающие в этой полости вблизи выступающих стенок диффузора, способствуют равномерному и устойчивому распределению потока вокруг жаровой трубы. Диффузор с внезапным расширением дает существенный выигрыш в длине и массе, правда ценой увеличения потерь давления приблизительно на 50 огге по сравнению с плавным диффузором.
Кроме того, обеспечивается меньшая чувствительность профиля скорости на выходе из диффузора к изменениям профиля скорости на его входе, что, очевидно, является важным преимуществом в случаях, когда профиль скорости на .выходе из компрессора либо неизвестен, либо зависит от режима работы двигателя. В работе [40~ исследовано влияние формы такого диффузора, расстояния между диффузором и головной частью жаровой трубы и отношения расходов воздуха во внутренний и нарбжиый кольцевые каналы на эффективность и устойчивость !19 Диффтзоры работы диффузора.
Обнаружено, что повышение статического давления происходит главным образом в плавной части диффузора, а уменьшение полного давления в основном при внезапном расширении и в зонах выравнивания потока. Кроме того, отмечено, что расположение жаровой трубы оказывает заметное влияние на потери давления и устойчивость течения в диффузоре.'Этот вывод согласуется с известными данными о влиянии на поток тела, помещенного на выходе диффузора, и указывает на необходиезость тщательного подбора формы диффузора, жаровой трубы и кольцевых каналов для получения оптимальной эффективности и обеспечения устойчивости потока. Таблица 3.! Достоинства и недостатки диффузоров различных типов Дастаиистиа тии диффузара Нсдастатии Плавный !азро- динамический) 1. Низкие потери давле- ния С внезапным рас ширением Управляемый вихрем 1. Необходим отсос не менее 4 а/а расхода воздуха 2.
с!едостаточно отработана методика проектирования 1. Недостаточно отработана методика проектирования Гибридный В табл. 3.! приводится сравнение достоинств и недостатков различных диффузоров: плавного, с внезапным расширением, управляемого вихрем и гибридного. Диффузор дпя противоточных камер сгорания Камеры противоточного типа почти всегда используются с центробежными компрессорами. Их диффузоры должны не только уменьшать скорость воздушного потока, но также устра- 1.
Относительно малая длина 2. Нечувствительность к изменениям потока иа входе !. Высокая эффективность 2. Малая длина 3. Низкие потери давления 1. Высокая эффективность 2. Малая длина 3. Низкие потери давле- ния 1. Относительно большая длина 2. Чувствительность характеристик к термическим деформациям и допускам в производстве 3. Чувствительность характе. ристик к изменениям профиля скорости на входе !. Потери давления приблизительно на 50 а/а выше, чеы в обычном диффузоре ~го Глава 3 нять его остаточную крутку.
Эта цель достигается использованием короткого кольцевого диффузора обычного типа с довольно большим отношением площадей, дающего малую скорость на выходе. В случаях когда допустима довольно большая длина диффузора, между выходом из компрессора и входом в кольцевой диффузор располагают успокоительный участок длиной около двух длин хорды лопаток компрессора. Диффузоры для трубчатых и трубчато-кольцевых камер сгорания В случае трубчатых камер сгорания диффузор одновременно служит переходником между кольцевой секцией на выходе из компрессора и передней частью корпуса камеры.
Такой диффузор почти всегда имеет сложную форму и значительные потери давления. У входа в головную часть жаровой трубы обычно устанавливают полый воздухозаборник, обеспечивающий плавное замедление потока в кольцевом канале вокруг жаровой трубы. В случае трубчато-кольцевых камер сгорания наилучшим конструктивным решением диффузора является комбинация успокоительного участка с обычным кольцевым диффузором, имеющим умеренное значение отношения площадей ( 1,6), после которого предусматриваются либо внезапное расширение, если требуется уменьшить общую длину диффузора, либо воздзхозаборники камер, если требуется большая степень диффузорности при малых потерях полного давления. Более подробные данные о характеристиках течения и эффективности диффузоров такого типа имеются в работе [41). 14спытания диффузоров Очень важно испытания диффузора провести заранее, пока проектирование двигателя находится на ранней стадии.
Водяные установки с визуализацией течения являются наиболее подходящими для этой цели и при правильном использовании позволяют выявить любые нерегулярности в потоке. Важно, чтобы условия истечения нз компрессора воспроизводились в таких испытаниях по возможности наиболее точно как по профилю скорости, так и по углу закрутки. На входе в диффузор полезно установить лопатки спрямляющего аппарата компрессора. Наличие крутки потока на выходе из компрессора не позволяет использовать отсеки камер в большинстве испытаний, что означает необходимость проведения исследований с визуализацией потока в днффузорах кольцевых камер на полноразмерных моделях. Диффузоры ОБОЗНАЧЕНИЯ А — площадь поперечного сечения; А в = А — Аэфф — затененная площадь; А,фе — эффективная площадь; А/г — отношение площадей (Аз/А1); В=Ав/А; Ср — коэффициент восстановления давления; С' — максимальный коэффициент восстановления давле- Р ния на заданной длине; С"' — максимальный коэффициент восстановления давления при заданном отношении площадей поперечных сечений; Е =А,еф/А; Š— длина стенки; и — массовый расход; М вЂ” длина вдоль оси; Р— полное давление; ЬР „ее — потери полного давления в диффузоре; р — статическое давление; д = риз/2 — скоростной напор (динамическое давление); 4 — скоростной напор по й; д — скоростной напор по й; )с — радиус в коническом диффузоре; М вЂ” высота канала кольцевого диффузора; и — скорость; й — среднемассовая скорость; й — максимальная скорость; Яу — высота входа в плоском диффузоре; а — коэффициент кинетической энергии; р — плотность; б* — толщина вытеснения пограничного слоя на входе в диффузор; ц — общий коэффициент полезного действия; 8 — половина угла раскрытия диффузора; Х вЂ” коэффициент потерь Индексы 1 — входное сечение диффузора; 2 — выходное сечение диффузора.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
