Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 34
Текст из файла (страница 34)
Модель по скорости распространения пламени Здесь предполагается, что зона горе~на подобна по своей структуре турбулентному фронту пламени в гомогенной горючей смеси. Характеристики процесса горения в этом случае зависят от величины отношения скорости распространения турбулентного пламени к скорости подачи горючей смеси в зону горения. Предполагается также, что скорости испарения и смешения бесконечно велики и что топливо, вступающее в реакцию, сгорает полностью.
В этом случае неполнота сгорания может быть связана лишь с проникновением через зону горения части топлива, прошедшего мимо турбулентного фронта пламени (рис. 6.1). Такая модель была использована в работе 12) для вывода параметра, с помощью которого удалось удачно обобщить экспериментальные значения коэффициентов полноты сгорания топлива, полученные в широком диапазоне изменений давления, температуры и массового расхода воздуха в камерах сгорания различной конструкции.
Краткое описание этой модели приведено ниже. Более подробные сведения можно найти в работе 12], а также в работе 13], посвященной дальнейшему развитию этой модели. Коэффициент полноты сгорания определяется отношением Тепло, выделенное при сгорании (5.2) Тепло, еодержвшеесн в топливе Рг" ~ 1~торе бТ(ни~л О. (5.3) 175 Полнота сгорания топлива По определению с„ЛТ = нН; можно допустить также, что поверхность фронта пламени Аг пропорциональна характерной площади поперечного сечения камеры сгорания А,. Тогда уравнение (5.3) упрощается и приводится к виду тга оо 5гг ~~х.
(5.4) Если выразить (/„через тл, Рз и Ах, а Бг — через скорость расцространения ламинарного пламени и интенсивность турбулент- Топливо Впаду Рис. 5.1. Моделирование процесса горения по скорости распространения пла- мени. ! — анффузор; у — жаровни труба; 3 — зона туРбулентною пламени. ности, которая в свою очередь зависит от величины потерь дав- ления в жаровой трубе, то уравнение (5.4) примет внд зАх(РРх) екР(Та(Ь) т Т ВРь зоб"' =("" ' К 'Г пз Чх (5.5) Экспериментальные данные о полноте сгорания топлива, полученные при низком давлении в камерах сгорания нескольких типов, хорошо обобщаются при значении т = 0,75 [3[.
Подставляя это значение в (5.5), получим Р|,у А ег0,'уб ехр (та(ь) л1 / ВРь 'те,зу» 11,=1 — )( ')'" ги 1 Вх (5.6) Камеры сгорания в своем большинстве мало отличаются друг от друга значениями входной температуры воздуха, вследствие чего уравнение (5.6) не сильно зависит от величины Ь. По данным работы [3], «идеальные» значения этой величины составляют 300 и 150 соответственно для значений отношения воздух/топливо, равных 60 и 120. Однако для большинства реальных камер сгорания экспериментальные данные удовлетворительно обобщаются при постоянном значении Ь = 300. Необходимость включения в уравнение (5.6) множителя, учитывающего потери давленая, недостаточно подтверждена экспериментально.
В связи с этим, а также из-за малой разницы в величинах потерь давления для различных камер сгорания таким множителем обычно пренебрегают. Тогда уравнение (5.6) Глава $ 1тб упрошается и в нем появляется хорошо известный параметр В '): Рз'т Ахпх'т ехр[тз'300) 3 х х * 3: -(' "';.' ' (5.7) Уравнение [5,7) весьма успешно применялось для обобщения экспериментальных данных о полноте сгорания топлива. В результате оказалось возможным существенно сократить объем стендовых испытаний, необходимых для оценки характеристик вновь проектируемых камер сгорания.
На рис. 5.2 по- тОО 100 зе р- Р "з ехр (тз/ЗОО)/та Рис. бзй Экспериментальные данные о Рис. 3.3. Характеристики полноты сгополноте сгорания топлива в камере ранна топлива для трех различных авиационного двигателя [1). камер сгорания [1). казано, что небольшого числа экспериментальных точек достаточно для построения полной рабочей характеристики камеры сгорания.
Такая характеристика позволяет с достаточной степенью точности оценить величину коэффициента полноты сгорания топлива при параметрах воздуха, которые не могут быть воспроизведены на экспериментальном стенде [естественно, при условии, что такая экстраполяция не приводит к нарушению основного допущения о том, что процесс горения лимитируется по-прежнему только скоростями протекания химических реакций, а не испарением топлива или другими факторами), Основное достоинство уравнения [5.7) заключается в том, что оно позволяет «моделировать» размеры и условия работы камер сгорания, приводя их к некоторым известным и проверенным значениям.
Сохраняющиеся при этом некоторые различия в характеристиках камер можно считать полностью обусловлен- ') В подавляющем большинстве отечественных и зарубежных работ используется параметр, имеюший структуру 1/0, и, следовательно, ч, = = Е(1/О). При этом в отечественной литературе полагается Ч = Е1(Кг), где Кг — параметр форсирования (форсированности), а в зарубежной — 11, = = Е.(Я), где () — параметр (фактор) нагрузки. — Прим, ред. 177 Поянота сгорания топлива ными конструктивными отличиями этих камер.
Это чрезвычайно важно, особенно когда возникает необходимость в выборе конструкции новой камеры сгорания из нескольких сушествуюших прототипов, ни один из которых не имеет заданных размеров или ие испытывался на требуемых режимах. Методику использования параметра О можно продемонстрировать примером на рис. 5.3, где изображены три характеристики, относящиеся к трем различным по конструкции камерам сгорания.'Очевидно, что камера А лучше камеры С, поскольку полнота сгорания топлива в ней (ао выше при всех значениях параметра О. Это значит, что при С.ЗТууеиа~вые и любых значениях (птд, Ра, Та) .
О(7 арйуваыв- вавьиевые камера типа А при меньших СЛ Кевьаевые размерах может иметь те же характеристики, что и камера типа С. Сравнение кривыхдля камер А и В показывает, что 4О в некоторой области режимов О ( 2 Л 4 5 б 7 О(бт лучшими характеристиками об- а ки ' Л Р ' ех (Т (ЗОО)7втд ладает камера А, однако каме- рис. 54.
Обобщенные характеристики ра типа В превосходит ее на полноты сгорания н камерах трали- режимах запуска в условиях иионных схем (1). очень больших высот. Конструкция любой новой камеры сгорания в значительной степени базируется на предшествуюшем опыте. Наиболее удобный метод обобщения предшествующего опыта заключается в использовании графиков, на которых характеристики всех известных камер сгорания представлены в виде зависимостей от важнейших переменных. Такого типа зависимость приведена на рис. 5.4, где изображены кривые изменения полноты сгорания топлива в зависимости от параметра О. Заштрихованные области на этом рисунке охватывают экспериментальные данные, полученные при испытании большого числа современных трубчатых, трубчато-кольцевых и кольцевых камер. Рис.
5.4 можно использовать для определения размеров камеры, характеристики которой должны отвечать заданным требованиям. Наиболее неблагоприятные условия работы возникают на режимах с минимальными значениями давления в камере. К счастью, этим условиям всегда соответствуют «нерабочие» высотные режимы, для которых допустима низкая (например, 80 о/е ) полнота сгорания топлива. Определив по графикам рис. 5.4 параметр О, соответствуюший некоторой точке, в которой полнота сгорания топлива равна 80 оь(е, и подставив в выражение для него заданные значения Рм Та и птл, можно вычислить характерные размеры камеры А.
и Рх. Расчетная точка должна выбираться на основе разумного компромисса между необходимостью получения 12 Зьк. 7б~ 178 Глава 3 высоких рабочих характеристик и стоимостью разработки соответствующей конструкции. После того как основные размеры новой камеры установлены, принимается важное решение о законе распределения воздуха по ее зонам. Известно, в частности (см. табл. 4.2), что доля воздуха, подаваемого в первичную зону, оказывает ре- 1 шающее влияние на все важ- "У нейшие характеристики процесса горения. В большинстве практически / важных случаев трудно все же гарантировать, что действительный состав смеси в первичной зоне соответствует расчетному. Благоприятным обстоя/ тельством является, однако, то, / что о действительном составе смеси в первичной зоне и других важных характеристиках 8 процесса горения многое можно узнать из рассмотрения кривых т1, = /(О) ').
Теоретические зависимости, приведенные на рис. 5.5, показывают, что каждая из кривых т1, = /(О), по существу, представляет собой объединенную характеристику первичной и промежуточной зон горения (а также зоны разбавления в случае низкого давления). Штриховая линия, выходящая из начала координат, является характеристикой первичной зоны. Верхний предел этой линии соответствует израсходованию всего поданного топлива. В этой точке полнота сгорания не достигает 100 о/о из-за потерь, обусловленных диссоциацией продуктов сгорания. В промежчточной зоне эти потери возмещаются, что достигается локальным вводом дополнительного воздуха. Характеристика промежуточной зоны представлена штриховым участком кривой, выходящей из точки, соответствующей максимальному значению коэффициента полноты сгорания в первичной зоне.
Сплошной линией на рис. 5.5 показана суммарная характеристика обеих, первичной и промежуточной, зон; она иллюстрирует полноту ') Г1риведенный анализ зависимости полногы сгорания топлива от параметра 8 является, по меньшей мере, спорным, так как в действительности при изменении этого параметра изменяется полнота сгорания топлива одновременно и в первичной, и во вторичной зонах. — Прим. ред.
Полнота сгорания топлива сгорания топлива, обычно определяемую в испытаниях. Теоретически высокий уровень полноты сгорания можно было бы поддерживать при снижении давления посредством уменьшения массового расхода воздуха. Однако при снижении давления газа возрастают тепловые потери и заметно снижается качество распыливания топлива. Вследствие этого фактически всегда существует такое минимальное значение давления газа, ниже которого горение невозможно.
Влияние плохого распыливания н тепловых потерь иллюстрируется на рис. 5.5 тем, что нижняя часть суммарной характеристики отклонена от штриховой прямой линии и пересекает аб- Г сциссу при некотором конечном значении О. Влияние состава смеси в первичной зоне на полноту сгорания показывает рис. 5.6, на котором представлены типичные кривые для первичных зон 1 со стехиометрической, бедной и богатой смесями. В стехиометрических смесях как скорость распространения пламени, так и диссоциация близки к мак- рис ЗВ Влияние состава снеси в симальным значениям. Поэто- первичной зоне на полноту сгорания му левая часть соответствую- 1Ц.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
