Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 46
Текст из файла (страница 46)
Воспламенение смеси в камере сгорания ВВЕДЕНИЕ Легкое и надежное воспламенение смеси во время наземного запуска, когда ротор раскручивается до частоты вращения, при которой возможен самоподдерживающийся режим, имеет для любого газотурбинного двигателя первостепенное значение. Для авиационных ГТД существенно, кроме того, требование быстрого повторного воспламенения смеси в камере после срыва пламени в полете. При неблагоприятных климатических условиях или при взлете с мокрой взлетно-посадочной полосы, когда есть риск попадания в двигатель чрезмерного количества влаги или льда, система воспламенения должна гарантировать немедленный повторный запуск двигателя в случае погасания пламени в камере.
Воспламенение горючей смеси может производиться различными способами, например электрическим разрядом, нагретой поверхностью или любым другим внешним источником тепла. Это может происходить и самопроизвольно„если давление и (или) температура повышены до такого уровня, при котором химические реакции инициируются и ускоряются самостоятельно. Воспламенение в газотурбинном двигателе обеспечивается, как правило, с помощью электрического искрового разряда.
Для того чтобы воспламенить гетерогенную и сильно турбулизованную смесь, движущуюся со скоростью около 25 м/с, необходима значительная энергия. В последние годы были предприняты систематические экспе-ч риментальные исследования для определения влияния электрических параметров системы зажигания и параметров потока на величину минимально необходимой энергии искрового разряда в движущейся смеси воздуха и капель топлива. Эти исследования способствовали лучшему пониманию существа процессов, протекающих при воспламенении, и создали теоретическую основу для установления связи между характеристиками воспламенения и режимными параметрами. Они подтвердили уже известные из практики качественные зависимости, свидетельствовавшие о том, что воспламенение облегчается при повышении давления, температуры газа и энергии искрового разряда и затрудняется при увеличении скорости потока и интенсив- язв Глава У ности турбулентности.
В исследованиях особое значение придавалось тому обстоятельству,что на характеристики воспламенения заметно влияют свойства топлива, так как от ннх зависит концентрация паров топлива в непосредственной близости к свече зажигания. Это влияние в основном определяется летучестью топлива (т. е. скоростью его испарения), но, кроме того, также и вязкостью, поскольку от нее зависит средний размер капель топлива.
Количество энергии, необходимое для воспламенения газокапельной смеси, намного больше того, которое обычно требуется для газообразных горючих смесей при стехнометрическом составе смеси. Значительная часть этой избыточной энергии расходуется на испарение капель топлива, так что суммарное количество энергии зависит от распределения топлива в первичной зоне камеры сгорания и от качества его распыливания. Тенденция к увеличению скоростей полета и степени повышения давления воздуха в двигателях вызывает постоянное ухудшение среды, в которой должны функционировать системы зажигания и электрические свечи. Наряду с этим существует настоятельная необходимость в улучшении характеристик н в повышении надежности и ресурса систем зажигания. Поэтому проблема воспламенения, особенно для авиационных двигателей, продолжает оставаться актуальной и заслуживает детального обсуждения.
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ХАРАКТЕРИСТИК ВОСПЛАМЕНЕНИЯ Характеристики запуска авиационного двигателя обычно представляют в форме области полетных условий, в пределах которой горение в камере может быть восстановлено после произошедшего по какой-либо причине срыва пламени в высотных условиях. Для определения возможностей повторного высотного запуска двигателя принято проводить серию испытаний камеры сгорания на автономной установке (вне двигателя), в ходе которых параметры на входе в камеру устанавливают и изменяют таким образом, чтобы воспроизвести полетные условия. Методика проведения испытаний подобна той, которую применяют при определении пределов стабилизации пламени. Г1ри постоянных расходе, давлении и температуре воздуха на входе в камеру делаются попытки воспламенить смесь в ней при различных значениях я.
Об успешности попытки воспламенения судят по продолжению горения в камере после того, как источник зажигания выключен. Максимальное время, отводимое для каждой попытки, составляет обычно 1О с, но может быть уменьшено и до 3 с. Процедура повторяется для других значений массового расхода воздуха до тех пор, пока не будет полностью определена вся область воспламенения. Типичная область такого рода 2ЗЭ Воспламенение смеси а камере сгорания для камеры сгорания авиационного ГТД показана на рис.
7.1. Как правило, для полного определения характеристик повторного высотного запуска двигателя достаточно получить области Рз, кап 70 0,05 75 ив в со б 0,02 001 оз од 05 0Д 07 05 0,0 10 влез н 0 025 05 075 10 Расход воздуха, кгус Рис. 7.1. Типичная область воспламе- няемости смеси в камере сгорания. — гранина области.
в которой возможно воспламенение (область заштрихованаи — — — граница области стабилизации пла- мени. Рис. 72. Границы высотного запуска обычной кольцевой камеры сгорания 11> — заявленная область запуска; — область запуска для подогретого топлива ЗР5: — — — область запуска для холодного топлива ЗР5. воспламенения при 4 — 6 различных значениях давления газа в камере.
Границы высотного запуска для кольцевой камеры сгорания традиционного типа приведены на рис. 7.2. ВОСПЛАМЕНЕНИЕ ИСКРОВЫМ РАЗРЯДОМ Для ГТД наиболее удобным и достаточно удовлетворительным источником зажигания является электрический разряд, например искровой или дуговой. Прн зажигании нагретой поверхнбстью или горячим газом располагаемое тепло используется неэффективно, так как оно распределяется по большому объему газа. Искровой или дуговой разряд, напротив, очень эффективно преобразует электрическую энергию в тепло, которое концентрируетсн в относительно малом объеме.
Кроме того, в этом случае можно точно контролировать величину энергии и длительность разряда [2]. Система зажигания в принципе состоит из генератора напряжения, проводов и свечи. Ее назначение — подвести питание от источника и обеспечить высвобождение электрической энергии на свече в форме импульсов малой продолжительности.
В работе [3] описаны два основных типа применяемых систем зажигания. Система первого типа представляет собой высоковольтное устройство, создаюшее напряжение 12 — 15 кВ и энергию разряда в искровом (межэлектродном) промежутке 240 Глава 7 свечи примерно 50 мДж при частоте около 300 разрядов в минуту. Ко второму типу относятся системы зажигания высокой энергии.
Рабочее напряжение в них составляет обычно 2 кВ и определяется величиной разрядника. В отличие от системы первого типа в данной системе не происходит немедленного высвобождения энергии в искровом промежутке и энергия выделяется в виде разряда лишь после накопления определенного ее количества. Системы этого типа при их применении на малоразмерных двигателях создают разряды с энергией -2 Дж л при типичной частоте разрядов 250 мин-'. Для больших двигателей величина накопленной энергии обычно составляет от 4 до 12 Дж, частота разряз дов — около одного в секунду, а энергия, высвобождаемая на поверхности свечи зажил', ' ' ' "Р " пти ' Рйа гания, — между 2 и 4 Дж в за- У вЂ” монтажный фланец; 5 — центральный ВИСИМОСти От кОНСтруицИИ электрод: 5 — полупроаодник: 4 — анешний свечи электрод: 5- изолятор. Системы высокой энергии наиболее эффективны, когда используются в комбинации со свечами поверхностного разряда.
Такая свеча состоит из центрального электрода и внешнего электрода, который заземляется. Электроды разделены керамическим изолятором, переходящим на рабочем («огневом») торце свечи в тонкий слой полупроводникового материала, как показано на рис. 7.3. Полупроводниковый материал облегчает ионизацию воздуха в межэлектродном промежутке и пробой промежутка искрой от источника энергии с относительно низким напряжением. Важной характеристикой полупроводника является то, что его электрическое сопротивление падает при увеличении температуры.
Таким образом, когда конденсатор разряжается и ток начинает проходить через полупроводник, последний быстро разогревается и раскаляется добела, обеспечивая ионизацию воздушного промежутка между электродами. Как только происходит ионизация, возникает основной разряд в виде интенсивной дуги, похожей на пламя. Свеча поверхностного разряда была разработана в Королевском авиационном институте в Фарнборо в конце 1940-х г.г. и к началу 1950-х г.г. была принята как стандартное оборудование практически всех авиационных двигателей. Поскольку ее характеристики заметно превосходят характеристики всех других средств зажигания и она нашла такое широкое применение, свеча поверхностного разряда и соответствующая система зажигания обсуждаются далее несколько подробней. Восииамененне смеси в камере сгорания 24! Свеча поверхностного разряда Испытания !2-джоулевой системы зажигания показали, что потери и утечки в системе уменьшают энергию, выделяемую на свече, до 2 — 4 Дж.
Более того, в работе 141 было установлено, что только малая доля этой энергии ! — 1/12) непосредственно нагревает горючую смесь. Часть остальной энергии теряется теплопроводностью через корпус свечи, но основная доля диссипирует в виде излучения и звуковых волн. Данные, характеризующие распределение потерь по элементам электрического контура системы зажигания и долю накопленной энергии, проявляющуюся в форме полезного тепла, приведены в табл.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
