Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 49
Текст из файла (страница 49)
250 Глава 7 К самовоспламеняющимся на воздухе топливам относятся трнметилалюминий, триэтилалюминий и боргидридалюминий. Для облегчения проблемы хранения и подачи таких топлив в камеру их часто разбавляют керосином или минеральным маслом. Хотя проведенные опыты показали, что рассматриваемые топлива потенциально представляют собой весьма дейсз венное средство улучшения характеристик воспламенения, тем не менее их применение на самолетах станет возможным лишь после того, как удастся решить задачу их хранения и подачи в камеру.
Они очень опасны в случае повреждения самолета, что, по-видимому, ограничит их применение в военной авиации. ДРУГИЕ СПОСОБЫ ЗАЖИГАНИЯ Хотя системы зажигания высокой энергии в комбинации со свечами поверхностного разряда получили наиболее широкое применение в газотурбинных двигателях, существуют и другие средства воспламенения топливовоздушной смеси, пригодные для использования в специальных случаях. Факельным еоспламеннтель Факечьный воспламенитель состоит из электрической свечи и источника вспомогательного топлива (форсунки), заключенных в общий корпус. Воспламенитель располагают таким образом, чтобы подожженное искрой хорошо распыленное вспомогательное топливо образовало факел горящих капель, который в свою очередь воспламенит распыленное основное топливо в камере сгорания.
Характеристики самого воспламенителя относительно нечувствительны к его расположению. Обычно его устанавливают в кольцевом канале, образованном стенкой жаровой трубы и стенкой корпуса камеры сгорания вблизи головной части камеры, хотя известна по меньшей мере одна серийная кольцевая камера, в которой воспламенитель установлен непосредственно во фронтовом устройстве. Основной проблемой в факельных воспламенителях является разложение и коксование топлива в то время, когда воспламенитель не работает. Это приводит к засорению сопла в форсунке, которое имеет малый диаметр (обычно 0,20 — 0,25 мм). Указанная проблема может быть смягчена установкой соленоидного клапана, перекрывающего сразу после запуска подачу вспомогательного топлива и обеспечивающего продувку форсунки чистым воздухом, но дополнительные элементы приводят к утяжелению и усложнению системы. Факельные воспламенители чаще всего применяются в камерах сгорания испарительного типа.
Как правило, устанавлп- воспламенение смеси а камере сгорания 251 ваются два воспламенителя, Они располагаются обычно в двух нижних квадрантах окружности камеры — на 4 и на 8 часах. В некоторых двигателях на 10, 12 и 2 часах размещают допол. нительные форсунки (без дополнительных свечей) для облегчения распространения пламени по окружности первичной зоны горения. Как только испарителъные патрубки прогреются и горение в камере установится, пусковое топливо и свечи отключаются. Факторы, от которых зависит скорость распространения пламени по кольцевой испарительной камере, рассмотрены в работе [16[.
Важным фактором является температура входящего в камеру воздуха. Так, время, необходимое для распространения пламени на 90 7а окружности камеры, увеличивается в несколько раз при понижении температуры от комнатной до 219 К. Летучесть топлива и величина к также оказывают значительное влияние на скорость распространения пламени (предположительно через скорость испарения топлива).
Небезынтересно отметить, что взаимное расположение испарнтельных патрубков также является важным параметром — чем больше расстояние между выходными сечениями соседних патрубков, тем медленнее происходит переброс пламени. Свечи накаливания Свеча накаливания предназначается для быстрого повторного воспламенения в случае, если пламя погаснет в результате внезапного попадания в двигатеЛь воды или льда, или же при временных перебоях в подаче топлива.
Размеры свечи выбираются соответственно размерам жаровой трубы камеры сгорания, но типичной следовало бы считать свечу в форме полого цилиндра длиной 2,5 см и наружным диаметром 1,5 см. Свеча накаливания устанавливается на жаровой трубе так, чтобы она была погружена в первичную зону камеры и омывалась там горячими газами.
Такое положение следует считать идеальным для повторного воспламенения топливовоздушной смеси при случайном срыве пламени. Наилучший материал для свечи должен иметь такие качества, как большую удельную теплоемкость, значительную плотность и высокую теплопроводность вместе с достаточной стой. костью к окислению и термическим ударам. Опыты с платиновыми свечами накаливания были очень успешными, но этот материал чересчур дорог [17). К счастью, карбид кремния, армированный нитридом кремния, показал себя эффективным заменителем, и в двигателях военных самолетов срок службы таких свечей уже превысил 4000 ч. В испытаниях двигателей «Протей» и <Вайпер П» фирмы «Роллс-Ройс» успешное повторное воспламенение наблюдалось даже через 12 с после момента гзг гпава у выключения двигателя.
Свечи накаливания имеют хорошие перспективы применения в будущих авиационных двигателях, особенно в двигателях вертолетов, для которых они, по-видимому, подходят идеально. Зажигание нагретой поверхностью Воспламенение факела распыленного топлива нагретой поверхностью технически осуществимо и неоднократно демонстрировалось в опытах. Но обычно его не считают пригодным для практического применения в газотурбинных двигателях из-за необходимости обеспечить очень большие скорости подвода тепла для того, чтобы успеть попарить топливо и поднять температуру смеси топливных паров и воздуха до точки воспламенения за то короткое время, пока они находятся в контакте с нагретой поверхностью. Именно по этой причине зажигание искровым разрядом так эффективно †о обеспечивает почти мгновенный (менее чем за 150 мкс) подвод тепла к свежей смеси.
И все же один из вариантов системы зажигания нагретой поверхностью был разработан для практического применения (в двигателе РТ6) [18]. В этой системе используется нагрев электрическим током, и она удовлетворительно функционирует, воспламеняя самые разнообразные топлива, включая тяжелые дизельные. Зажигание струей плазмы Данный способ зажигания активно изучался [19 — 22). Обычно в свече зажигания делается полость, через которую протекает газ, нагреваемый электрическим током до очень высокой температуры и истекающий затем в виде высокоскоростной струи плазмы в основной поток топливовоздушной смеси.
В число исследовавшихся газов входили азот и водород, и их эффективность как источников зажигания приписывается высокому содержанию в них активных радикалов. Глубину проникновения струи плазмы можно менять, создавая тем самым источник воспламенения на значительном расстоянии от зажигающего устройства. В работе [22] определялись минимальные значения энергии зажигания для плазмы различного состава, которая генерировалась фокусированием лазерных лучей на маленьких мишенях нз разных материалов, находившихся в горючей смеси.
Однако потребуется еще значительный объем исследований и разработок, прежде чем эти новые способы зажигания окажется возможным применить в газотурбинных двигателях. 253 Воспламенение смеси а камере сгорании ПРОЦЕСС ВОСПЛАМЕНЕНИЯ Значительный прогресс в понимании процесса воспламенения топливовоздушной смеси в газотурбинных двигателях был связан с осознанием того факта, что воспламенение не является простым одностадийным процессом, но в действительности включает три отчетливо различимые стадии ~23~. Первая стадия — это образование ядра пламени, размеры и температура которого достаточны для того, чтобы обеспечить последующее распространение пламени. Вторая фаза представляет собой этот процесс распространения пламени от ядра на всю первич- Свеча ную зону камеры сгорания.
Третья стадия, которая реализуется только в трубчатых и г 1 трубчато-кольцевых камерах, / — (г) з заключается в перебросе пламени из жаровой трубы, где осуществлялось зажигание, в соседнюю жаровую трубу. Эта трехстадийная схема процесса воспламенения изображена на рис. 7.8. Неудача в одной из стадий воспламенения, есте-.
р ~ Р и с . 7 . 8 . ' 1 ' р и с т а д и и п р о и е с с а в о с и л а ственно, п иводит к неудаче и в запуске двигателя. Вполне возможна ситуация, когда при определенных эксплуатационных условиях процесс воспламенения будет лимитироваться одной из стадий, а при изменении этих условий лимитирующей станет другая стадия. Осознание стадийности процесса воспламенения помогло пролить свет на ряд аномалий, наблюдавшихся при запуске двигателей, например, почему в одром случае увеличение энергии разряда позволяет улучшить характеристики запуска, а в другом не дает никакого эффекта.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
