Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 24
Текст из файла (страница 24)
Аэродинамика камеры сгорания ВВЕДЕНИЕ Понимание аэродинамических процессов имеет весьма важное значение для проектирования камер сгорания газотурбинных двигателей и достижения заданных характеристик. Вероятно, не будет большим преувеличением утверждать, что при правильном сочетании хороших аэродинамических решений и способов подачи топлива понадобится лишь небольшая доводочная работа для получения вполне удовлетворительной конструкции камеры. Разработано большое число типов камер сгорания, существенно различающихся по размерам, схемам и способам подачи топлива. Тем не менее при внимательном рассмотрении оказывается, что всем камерам свойственны общие аэродинамические черты.
Так, в диффузорах и кольцевых каналах следует уменьшать скорость потока и распределять воздух по всем зонам горения в заданных количествах, поддерживая одинаковые условия течения без паразитных отрывных зон и связанных с ними потерь давления. Внутри жаровой трубы нужно обеспечить существование большой циркуляционной зоны для стабилизации пламени, эффективное разбавление продуктов сгорания и экономичное использование воздуха, охлаждающего стенки. Процессы смешения играют особо важную роль в зонах горения и разбавления. Хорошее смешение топлива с воздухом в первичной зоне горения необходимо для обеспечения высоких скоростей горения и минимизации образования сажи и окислов азота, а хорошее смешение продуктов горения с воздухом в зоне разбавления существеннодля обеспечения равномерности температуры газов в выходном сечении камеры.
К сожалению, хорошее смешенйе газов требует значительных длины камеры и потерь давления. Следовательно, главной целью конструктора камеры сгорания является достижение удовлетворительного перемешивания в жаровой трубе и устойчивого течения во всей камере с минимальными потерями давления и при минимальной длине камеры. Для успешного аэродинамического расчета камер необходимо знать структуру циркуляционной зоны, глубину проникно- 12з Аэродинамика камеры сгорания вения струй и коэффициенты расхода для всех типов отверстий, через которые подается воздух, включая щели охлаждения. В настоящей главе дается обзор состояния этих вопросов и вывод соотношений, определяющих размеры камеры сгорания, потери давления и равномерность параметров потока, которые служат рациональной основой аэродинамического проектирования. ХАРАКТЕРНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ С целью облегчения анализа течения в камере сгорания и сопоставления аэродинамических характеристик камер различньх конструкций были введены несколько параметров, в том числе характерная средняя скорость сг', соответствующая площади максимального поперечного сечения (миделя) камеры, т.
е. О = тз1рзА. По этой скорости определяются величины Ф = Рай Я = й(1УРтз)к'. ПАРАМЕТРЫ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ ПОТЕРИ ДАВЛЕНИЯ Наиболее важными при проектировании камер являются два безразмерных параметра, характеризующих потери давления: отношение падения полного давления в камере к полному давлению на ее входе (АРз г/Рз) и отношение падения полного давления к характерному скоростному напору (ЬРз 4/гз). Они связаны между собой следующим соотношением: 'зрз 4 ЬРз 4 Й тзтз' (4.1) Рз 4 2 Арз Величину ЬРз с/Рз обычно называют общими потерями давления и выражают в процентах.
Типичные значения этих потерь составляют 4 — 10 с~с (без учета так называемых тепловых потерь, неизбежно возникающих вследствие процесса горения). Величину ЬРз сЯ называют коэффициентом потерь давления. Она представляет наибольший интерес для конструктора камеры сгорания, так как определяет сопротивление потоку газов на участке двигателя между компрессором и турбиной. В аэродинамическом отношении эту величину можно рассматривать как эквивалент «коэффициента сопротивления», В отличие от общих потерь давления, которые зависят от режима работы камеры, коэффициент потерь является постоянной ха- 424 Глава 4 рактеристикой и учитывает 1) падение давления в диффузоре и 2) падение давления иа стенках жаровой трубы.
Следовательно, 3-4 д двфф '-" + — -' (4.2) Важно, чтобы величина ЬРл,фф была минимальной, поскольку потери давления в диффузоре бесполезны для процесса .горения. На практике, однако, возможности уменьшения потерь в диффузоре весьма ограничены и сводятся лишь к соблюдению принятых принципов проектирования диффузоров. Также важно уменьшить потери на жаровой трубе, хотя следует иметь в виду, что высокий перепад давления на стенках жаровой трубы способствует улучшению процессов горения и перемешивания в камере, поскольку при этом увеличиваются скорость и углы вытекания струй воздуха и повышается интенсивность турбулентности, что способствует хорошему перемешиванию и позволяет уменьшить длину жаровой трубы.
Коэффициент потерь давления в жаровой трубе зависит главным образом от суммарной гффективиой величины площади отверстий в ее стенках А...фф. Таким образом, ЬР (р =Уз/2 (4.3) или ЛР.~Рз = Я~2)(тзТ'~~А фР ) (4.4) Подставляя выражение (4.4) в (4.1), получим АР4Л = (А/А,, зфф)з. (4.5) Следовательно, полную эффективную площадь отверстий в стенках жаровой трубы выбирают по величинам площади миделевого сечения корпуса камеры А и располагаемого перепада давления на жаровой трубе ЛР,.
Преобразуя соотношение (4.5), можно получить А,,фф — — А~(7зРз 4!г! — ЛРлвффй) ' . (4.6) Эффективную площадь отверстий можно вычислить по формуле А,, фф —— ~~' Со,!А,,з, (4.7) ! ! где Сл,;А,,! — эффективная площадь зхго отверстия, п — число озверстий. При заданной величине общих потерь полного давления желательно, чтобы отношение потерь в жаровой трубе к общим потерям было максимальным. Обозначим это отношение 8=ХРзДЬРз „. (4.8) лярединамика камеры сгорания 125 Увеличение р способствует увеличению устойчивости течения, т.
е. распределение потоков воздуха в различные зоны камеры сгорания и неравномерность поля температур становятся менее чувствительными к изменениям отношения топливо/воздух и профиля сяорости на выходе из компрессора 11). В этой связи следует отметить, что увеличение скорости на выходе нз компрессора всегда приводит к падению величины т. е. снижению аэродинамического качества камеры сгорания. Величина (ф2)(гй Так'1АРз)' в соотношении (4.1) является мерой характерной скорости в камере сгорания, так как она мгжет быть представлена в виде 0Ц2КТз.
Поскольку величина гп,Так '1Рз опРеделЯетсЯ лишь констРУкцией компРессоРа, то единственным параметром, который конструктор может варьировать, является максимальная площадь миделя А. Таким образом, соотношение (4.1) приводит к серьезной проблеме выбора.
С одной стороны, при малом расходе топлива общие потери давления должны быть малы, но если, с другой стороны, камера должна иметь малые размеры и обеспечивать хорошее перемешнвание газов, то оба сомножителя в правой части (4.1) должны быть велики. Этим противоречивым требованиям можно удовлетворить только путем компромисса, позволяющего получить оптимальное решение для двигателя в целом в зависимости от его назначения. Например, для подъемного двигателя можно допустить большие общие потери давления и соответственно увеличенный расход топлива в обмен на уменьшение размеров двигателя (т.
е. возможны малые значения А). Для двигателя самолета большой дальности полета достижение низкого расхода топлива является задачей первостепенной важности, и поэтому предпочтение следует отдать камере большого диаметра с низкими потерями полного давления. В табл. 4.1 приводятся некоторые типичные значения потерь давления для реальных камер сгорания в отсутствие горения. Из второго столбца таблицы видно, что коэффициент потерь давления в кольцевой камере имеет наименьшее значение.
Это обстоятельство, казалось бы, противоречит тому факту, что для хорошего перемешнвания необходимы большие потери давления. Однако в кольцевых камерах ббльшая часть потерь давления приходится на жаровую трубу, что способствует перемешиванню, а меньшая часть — на диффузор и подводящие тракты. В результате, хотя общие потери давления (первый столбец) почти одинаковы, величина т,Т,"ГАР, для кольцевых камер обычно значительно больше, чем для трубчатых (третий столбец), и поэтому прн заданной величине аэродинамической нагрузки камеры для них возможны меньшие значения А, т.
е. меньшие размеры камеры сгорания. 126 Глава 4 Из табл. 4.1 видно, что коэффициент потерь давления, который следует использовать для определения площади миделевого сечения камеры, может изменяться от -20 для прямоточных кольцевых камер до почти 40 для трубчатых камер (второй столбец). На практике значение ЬР5 и/ц выбирается из других соображений, например требований получения равномерного поля температуры или низкой токсичности выхлопных газов, Таблица 4.! Потери давления в камерах сгорания 55 0,5 АР, аР Р, ЬРп Тип камеры 0,07 0,06 0,06 0,0036 0,0039 0,0046 37 28 20 Трубчатая Трубчато-кольцевая Кольцевая СООТНОШЕНИЕ МЕЖДУ РАЗМЕРАМИ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ И ПОТЕРЯМИ ДАВЛЕНИЯ Площадь поперечного сечения В случае прямоточных камер сгорания оптимальное значение площади поперечного сечения л определяется с учетом общих а также в зависимости от условий течения на выходе из компрессора и типа применяемого диффузора: с внезапным расширением, аэродинамически плавного или гибридного.
Приведенные в табл. 4.1 значения общих потерь давления связаны лишь с процессами трения и турбулентного обмена и измерены при «холодных» продувках камер. В условиях горения потери возрастают вследствие подвода тепла. Из закона сохранения количества движения для течения однородной горючей смеси при малых М в трубе постоянного сечения можно вь1вести формулу АР..РЯ = рюе — 1, (4.9) где р, и ре — значения плотности газа на входе и выходе трубы, соответствующие температурам Т, и Ть т. е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
