Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 30
Текст из файла (страница 30)
В зоне разбавления происходит смешение продуктов сгорания с таким количеством воздуха, которое требуется для получения необходимой температуры газа перед турбиной. Аэродинамические процессы во всех трех зонах играют самую важную роль. В последующем обсуждении главное внимание будет обращено на требования к аэро. динамике обычных камер сгорания. Специальные вопросы, связанные с созданием камер, обеспечивающих очень низкие уровни выброса загрязняющих веществ, рассмотрены в гл. 11. Первичная зона Ранее были описаны различные способы подачи воздуха в первичную зону и организации такой структуры потока, которая обеспечивает устойчивое горение с высокой скоростью тепловыделения. Однако помимо способа распределения воздуха по первичной зоне важной величиной является его действительное количество в зоне.
Поскольку расход топлива определяется значением отношения топливо/воздух х для камеры в целом, то единственным независимым средством управления величиной х в первичной зоне является изменение количества воздуха, Аэродинамика камеры сгорания 155 участвуюшего в первичном горении. Отношение расходов топлива и воздуха в первичной зоне пте/и„ „ таким образом, является важнейшим фактором, влияющим на процесс горения и рабочие характеристики камеры сгорания.
В табл. 4.2 указаны достоинства и недостатки первичных зон со стехиометрической, богатой или бедной смесью. Таблица 4.2. Влияние состава смеси в первичной зоне на характеристики камер сгорания Состав смеси доетоииетве Недостатки Стехиометри- ~ 1. Максимальная объемная скорость тепловыделения 2. Низкая интенсивность из. лучения 3. Малое дымообразование 4. Отсутствие нагара 1. Высокий тепловой поток к стенкам жаровой трубы 2. Требуется промежуточная зона 3.
Значительное образование окислов азота ческаясмесь Богатая смесь 1. Большая скорость циркуляции газа неблагоприятно влияет на устойчивость горения и характеристики вос- пламенения Бедная смесь Достоинством стекиометрической первичной зоны является высокое объемное тепловыделение и относительно малое образование углерода, вследствие чего такая первичная зона может иметь небольшие размеры, а процесс горения в ней протекает без отложения нагара и образования дыма. Основные ее недостатки — высокий тепловой поток к стенкам жаровой трубы и образование окислов азота в значительных количествах. Одно из преимуществ богатой первичной зоны состоит в надежном зажигании. Кроме того, в ней достигается высокая полнота сгорания топлива на режимах малого газа, поскольку при 1.
При малой скорости циркуляции газа обеспечиваются хороший «бедный» предел стабилизации пламени и легкое воспламенение 2. Высокий коэффициент полноты сгорания топлива в условиях малого газа(малой мошности) 1. Прозрачное голубое пламя 2. Отсутствие дымообразования 3. Отсутствие нагара 4. Невысокая температура стенок жаровой трубы б. Не требуется промежуточная зона 6. Хорошее распределение температуРы на выходе из камеры 1.
Низкая объемная скорость тепловыделения 2. Высокая интенсивность излучения 3. Значительное дымообразование 4. Отложение сажи на стенках б. Зависимость температуры стенок от рода топлива 6. Требуется протяженная промежуточная зона 156 глава 4 этом местные значения я близки к стехиометрическому значению. Платой за эти ценные качества являются низкая скорость тепловыделения, обильное образование дыма и зависимость температуры жаровой трубы от рода топлива.
Использование бедной первичной зоны обешает значительные преимущества, связанные с равномерным распределением температуры газа, низкими температурами стенок жаровой трубы и отсутствием дымообразования и отложений нагара. В этом случае не требуется промежуточная зона, поскольку температура газа в первичной зоне невысока и его диссоциация не происходит. Это обстоятельство тем не менее не приводит к уменьшению общей длины жаровой трубы, так как длина первичной зоны должна быть увеличена ввиду малой скорости тепловыделения. Главным недостатком бедной первичной зоны является высокая скорость циркуляции газа, неблагоприятно влияющая на характеристики зажигания. Это соображение препятствует широкому применению в авиационных двигателях камер с бедной первичной зоной.
Промежуточная зона Если горящий газ из первичной зоны попадал бы сразу в зону разбавления, то продукты диссоциации типа СО и Нт <замораживались» бы и не успевали рекомбинировать за короткое время до выхода из камеры. Вследствие этого полнота сгорания топлива не достигала бы 100 7а. Эта проблема на практике решается путем размещения промежуточной зоны между первичной зоной и зоной разбавления. Основная функция промежуточной зоны состоит в создании условий для рекомбинации диссоциированных продуктов до их поступления в зону разбавления. Процесс рекомбинации сушественно зависит от температуры.
Если температура невысока, то рекомбинация протекает медленно и не завершается в отведенное время. Если же температура слишком высока, то продукты сгорания, поступающие в зону разбавления, содержат диссоциированные вещества в равновесных концентрациях. Температура -1800 К в промежуточной зоне дает хороший компромисс, хотя в случае высокого значения температуры газа на входе в турбину может понадобиться некоторое увеличение температуры в промежуточной зоне с тем, чтобы в зону разбавления подводилось достаточное количество воздуха. При оценке распределения расхода воздуха по различным зонам промежуточной зоне обычно не отдается предпочтения.
Как правило, для нее отводится то количество воздуха, которое остается после удовлетворения требований к процессам горения, разбавления и охлаждения стенок. Тем не менее, когда расход воздуха в промежуточную зону определен, нетрудно рассчитать Аэродинамика камеры сгорания 157 число и размеры отверстий в жаровой трубе для подвода этого воздуха.
Для определения с(, необходимо знать только значение максимальной глубины проникновения струй Укэк„ входящее в соотношение (4.27). Остальные члены этого соотношения либо уже известны, либо легко вычисляются. Требуемая глубина проникновения струй воздуха в промежуточной зоне невелика, поскольку ббльшая часть газов, вытекающих из первичной зоны, находится возле стенок. (Из простых геометрических соотношений следует, что в трубчатых камерах сгорания такое течение более выражено, чем в кольцевых.) Типичные значения У„„, составляют 0,140ь и 0,20с соответственно для трубчатой и кольцевой камер.
После того как величины и и аг; определены из (4.27)и (4.40), по формуле (4.41) можно найти диаметр отверстий. Длину промежуточной зоны, вообще говоря, можно оценить по соотношениям, учитывающим химическую кинетику и время пребывания газов, или же из соображений смешения струй; однако, насколько известно автору этой книги, более или менее полной теории этого вопроса не имеется. На практике указанная длина варьируется почти от нуля в подъемных двигателях, для которых решающее значение имеют длина и вес, а не полнота сгорания топлива, до -1,50с в маршевых двигателях самолетов с большой дальностью полета на большой высоте, для которых основным требованием является высокая полнота сгорания.
Несмотря на некоторую неясность роли промежуточной зоны и трудность ее определения, важность этой зоны для получения заданных рабочих характеристик не следует недооценивать. Кроме своего основного назначения уменьшать потери от диссоциации продуктов сгорания она служит продолжением зоны горения при уменьшении скоростей протекания химических реакций или испарения топлива.
Протяженная промежуточная зона может заметно повысить полноту сгорания на пониженных частотах вращения вала двигателя, например на режиме малого газа, и обеспечить возможность использования различных топлив. Более того, ее роль становится особенно важной при запуске и раскрутке двигателя, особенно в неблагоприятных условиях низких температур окружающего воздуха.
Наконец, следует отметить, что промежуточная зона благоприятно влияет на поле температур путем понижения общего уровня температуры газа и увеличения времени и пути для размывания горячих локальных объемов, которые в противном случае могли бы пройти через зону разбавления и вызвать перегрев лопаток соплового аппарата. 158 Глава 4 Зона разбавления Быть может, самой важной и в то же время самой трудной проблемой, с которой сталкиваются при проектировании н доводке камер сгорания газотурбинных двигателей, является достижение удовлетворительного и стабильного распределения температуры газов, поступающих в турбину.
В' прошлом главная роль при определении геометрических характеристик зоны разбавления принадлежала экспериментальным методам, так что путем проб и ошибок достигалось удовлетворительное распределение температуры для данной конструкции камеры сгорания. Экспериментальные исследования характеристик эоны разбавления, выполненные на реальных камерах сгорания, дали полезную эмпирическую информацию для конструкторов, однако такие исследования чаще всего не позволяют выявить влияние каждого фактора в отдельности. Вследствие этого в настоящее. время обычно считают, что удовлетворительное поле температур можно получить при правильном выборе глубины проникновения и числа струй, которые образуют достаточно локализованные зоны перемешивания, но число и размер отверстий можно определить лишь экспериментально.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
