Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 28
Текст из файла (страница 28)
При большом разнообразии возможных типов течения в этой зоне общей чертой их является наличие тороидального циркуляционного течения, которое вовлекает в себя часть продуктов сгорания и перемешивает нх с поступающим в него воздухом и топливом. Это циркуляционное течение непрерывно пополняется свежим воздухом, который подается в жаровую трубу через отверстия в стенках, а также через завихритель, противонагарные щели и пневматические форсунки.
Одним из наиболее эффективных способов создания циркуляцнонного течения в первичной зоне является использование завихрителя в головной части камеры вокруг топливной фор- 143 Авродмнамииа камеры сгорания Типы завихритепей Завихрители воздуха используются и в трубчатых, и в кольцевых камерах сгорания. Они бывают как однорядные, так и двухрядные (рис. 4.14); в последних закручивание воздуха может осуществляться либо в одном, либо в противоположных Рис. 4.14.
Схема двухрядного завих- рителя. à — топливная форсунка; «-первичныа эа- вихрнтелго 3 — вторичный эавихритель. Рис. 4.15. Схема обычного завихрителя с плоскими лопатками на центральной втулке (показаны только три ло. натки). 3 в угол выхода иэ вавихрителя; с †хор лопатин; а-шаг; «Гс †относительн высота лопатин; а/с †относительн' шаг лопатин. направлениях. Полезные сведения о завихрителях различных типов для камер сгорания содержатся в работе [39). Хотя в некоторых специальных случаях предпочтительнее радиальные завихрители, в большинстве камер сгорания используются осевые завихрители.
Их лопатки с целью простоты изготовления обычно выполняются из плоских пластин, хотя иногда для улуч- сунки. Распад вихря в закрученных течениях — хорошо известное явление; оно приводит к образованию зоны циркуляции в центральной области потока, если сообщаемая закрутка становится большой. Циркуляционная зона, создаваемая таким образом, обеспечивает лучшее перемешивание газов, чем в других способах (например, прн помощи плохо обтекаемых тел), так как вращательные составляющие скорости создают области сильного сдвига течения с высоким уровнем турбулентности и большой скоростью массообмена.
Эти свойства закрученных течений давно используются на практике для повышения устойчивости и интенсивности горения. Характеристики воздушных завихрителей изучались многими авторами. Наиболее подробные данные приведены в работах 132 — 42). Работа 1391 особенно интересна и важна, поскольку в ней рассмотрены завихрители, наиболее широко применяемые в камерах сгорания газотурбинных двигателей. 144 Глава 4 шения аэродинамических характеристик их делают изогнутыми. На рис.
4.15 приведены обычно используемые обозначения характерных геометрических величин в случае завихрителей с плоскими лопатками, угол установки которых равен постоянной величине О. В завихрителях с изогнутыми лопатками угол входа равен нулю, а выхода — О. Структура течения На рис. 4.16 показана область циркуляционного течения в свободном закрученном потоке. Ввиду предполагаемой осевой симметрии рассмотрим течение в верхней полуплоскости. Зона Рис.
4.16. Циркуляпнонная зона в закрученном потоке. Рис. 4.17. Типичные профили осевой и окружной составляющих скорости в сильно закрученном потоке. З вЂ” осевая составляющая скороста; 2 — акруокаая соссавляющая скороств. циркуляции находится внутри кривой ОАСВ. Точку В называют точкой торможения. С внешней стороны от линии ОАСВ находится основной поток, который поддерживает циркуляционное движение вдоль сплошной границы АВ.
Следовательно, максимальное значение напряжения сдвига соответствует точке А. 145 аазрояннамниа камеры сгорания На штриховой линии АВ расположены точки, где осевые составляющие скорости равны нулю. Типичные профили осевых и окружных составляющих скорости потока показаны на рис. 4А7. Вдоль потока все составляющие скорости уменьшаются.
За точкой торможения возратного течения нет, а далее по потоку происходит смещение максимума профиля осевой скорости по направлению к осевой линии в результате уменьшения закрутки 139]. Размеры цириупяционной зоны В нескольких работах изучались факторы, влияющие на размеры циркуляционной зоны, образующейся за завихрителем. 1,9 з .0Д тп 2 3 4 х 7"17аы Рис. 4.18.
Влияние формы лопатки на размеры циркуляционной зоны; число лопаток 1б, угол установки 60' 1391. — плоская лопатка: — — — изогнутая лопатка. р т" 0,6 0 1 2 3 4 хузуапт Рис. 4.!9. Влияние угла установии лопаток на размеры циркуляционной зоны [391 Число пэагнутыя лопаток 1б, относитвльная высота 0,4. Наиболее подробное исследование содержится в работе [391, где раздельно изучалось влияние типа лопаток (плоских и И1 Зак. уб! 146 Глава 4 изогнутых), угла установки, относительной высоты и относительного шага лопаток. На рис.
4.18 — 4.21 показаны некоторые результаты итого исследования, демонстрирующие изменение раз- ц 0,5 0 7 2 3 ф -йаы Рис. 4.20. Влияние относительной высоты лопаток на размеры циркуляционной зоны 139) Число иаагнутых лопаток г2, угол установки 60'. 7,0 0,5 а 2 3 22 к г Паы Рнс. 4.21. Влияние относительного шага изогнутых лопаток на размеры циркуляциониой зоны 1391. Угол установки 60', относнтельнав высота О,!.
— !2 лопаток; — — — !а лопаток. меров зоны' циркуляции в зависимости от угла, числа лопаток (т. е. относительного шага), относительной высоты и при замене плоских лопаток изогнутыми. 8„=2 —, а, пг (4.29) Параметр крутки В работе 1321 предложен следующий безразмерный параметр, количественно характеризующий степень закрученности потока: Аэродинамика камеры сгорания 147 где 6 — осевой поток момента количества движения, 6~— осевой поток импульса. Эти величины можно записать в виде о, 1г (4.30) 6 = ~ 2игУ1грУ дг, о о. l' в.
Р 61 = ~ 2ягрУтс(г + ~ 2игр с(г, (4.31) где (/, 1Р' н р — соответственно осевая и окружная составляющие скорости и статическое давление в любом поперечном сечении потока. При величине параметра крутки менее 0,4 циркуляционное течение не возникает и такую крутку потока называют слабой. Если начинается значительное расхождение линий тока от оси, но циркуляции еще нет, то такую крутку называют умеренной.
Этот режим течения соответствует значениям параметра крутки 0,4 — 0,6. Большинство практически используемых завихрителей работает в условиях сильной крутки, т. е. при Бн ) 0,6. В работе 132) выведены формулы для расчета параметра крутки вихревых генераторов различного типа. Для кольцевых завихрнтелей с постоянным углом установки лопаток 0 приводится формула (4.32) Цириупяциониое течение 10* 1гак указывалось выше, одной из главных функций завихрителя является создание возвратного течения продуктов горения с целью пх перемешивания с топливом и воздухом.
Циркуляция возникает, когда достигается критическое значение параметра крутки (Яи > 0,6). При этом в центральной области потока непосредственно за завихрителем статическое давление уменьшается до такой величины, что возникает возвратное течение. По измерениям скорости вдоль оси завихрителей в работе 1391 определено влияние их геометрических параметров на массовый расход в возвратном течении.
Так, завихритель с изогнутыми лопатками индуцирует возвратное течение с большим массовым расходом, чем завихритель, имеющий плоские лопатки; циркуляционное течение усиливается при увеличении угла установки лопаток и их числа, а также при уменьшении относительной высоты лопаток (см. рис. 4.22 и 4.23, на которых показаны результаты исследований с плоскими [38] и изогнутыми лопат- 148 Глава 4 ками 739)). Видно, что угол установки лопаток и их форма оказывают сильное влияние на массовый расход в циркуляционном г, 20 2Р 7,6 7,2 'Е с а,в дт а аа ва ва 70 В а,град Рнс. 4.23.
Влияние угла установки лопаток 8 на относительный максимальный расход массы в возвратном течения. Π— плоские лопатки 7997г Π— иаотиутые лопатки (997. а у,а 277 Да ви Рнс. 4.22. Влияние параметра круткн 5л на относительный максимальный расход массы в возвратном течении. Π†плоск лопатки 7м7; О в иаотиутые лопатки 7997 течении. Следует подчеркнуть, что при сильной крутке этот рас- ход может превысить массовый расход воздуха, подаваемого че- рез завихритель. Эженция газа Характеристики рабочего процесса камеры сгорания сильно зависят от количества продуктов сгорания, увлекаемых выходящим из завихрителя потоком. Это объясняется тем, что соотношение расходов воздуха и продуктов сгорания в первичной зоне определяет температуру и коэффициент избытка воздуха при горении и, следовательно, скорости реакций и образования сажи.
Количество увлекаемых газов определялось экспериментально для завихрителей с плоскими лопатками ~361. Обнаружено, что расход этих газов линейно возрастает с увеличением расстояния хх — = (0,35+ 1,4о, )— аы аеф где (4.33) г) — (Дз Д2 )0,5 В работе ~431 расход увлекаемого газа определялся путем интегрирования профилей скорости на различных расстояниях аэродинамика камеры сгорания 14Р от завихрителя. Эти данные близки к результатам работы [36] и обобщаются формулой (О'32+ О 85лт) в (4.34р Потери давления Из законов сохранения энергии и количества движения в работе [101 получено следующее выражение для величины потерь полного давления в осевых завихрнтелях с тонкими лопатками: /лР, =К, г/[[ д ) зес'8 — [ д Я( —,' ), (4.35) где А, — площадь поперечного сечения завихрнтеля, 8 — угол установки лопаток, К, =1,3 для плоских лопатбк и 1,15 для изогнутых.
00 Это выражение можно привести к виду, более удобному с точки зрения конструктора: 20 '~т э к 10 — ' .."- ° Г К [(ееэ О/А )е — 1/АЦ ) (4.35а) Выбор формы лопаток Как следует из рис. 4.19 — 4.21, размеры циркуляционной зоны можно увеличить путем увеличения числа лопаток, уменьшения их относительной высоты или увеличения угла установки. С целью определения влияния типа лопатки (плоской или изогнутой) и угла 8 в работе 0 [391 проведены многочислен- 40 50 00 70 ные измерения потерь давле- б,град ния, результаты которых пока- Рис. 4.24. Влияние угла установки лозаны на рис. 4.24. Как видно, латок и их типа на коэффициент поЛях с Изсгнутыми лопаткамн онпо лопатки; — — — илогнутко лопатки.
меньше, чем с плоскими, причем различие возрастает с увеличением угла установки. Для обоих типов завнхрителей рост шага между лопатками (т. е. уменьшение нх числа) сопровождается уменьшением коэффициента потерь. В особенности зто относится к завихрителям с изогнутыми лопатками, для которых характерны меньшие потери на трение вследствие уменьшения площади поверхности лопаток. Глава 4 Те же факторы приводят к увеличению расхода в возвратном течении и степени эжекции газа ценой некоторого увеличения потерь давления в завихрителе. Из анализа данныхрис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
