Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 53
Текст из файла (страница 53)
270 Скорость воздуха. Скорость воздуха влияет на первую н !О вторую стадии процесса само- воспламенения. Влияние на — Оагвтеювие первую стадию имеет достаточ- 1- ваевпаме,емгв 550 но сложный характер. Положительный аспект этого влияния, как уже упоминалось, связан с растяжением разряда в направлении потока, которое увеличивает количество энерРне.
7.17. Влияние темпеРагуРм иоэ гин, выделяемой в процессе исдуха на минимальную энергию аое. пламенения 1э31. крового разряда, и уменьшает Р еа кпа, 0=15 мд, Он=ба мкм. потери тепла и активных ча- стиц в искре, вызываемые переносом к электродам. Но данный положительный эффект уравновешивается потерями тепла конвекцией из ядра искры в начальный период его развития, когда оно еще еприкреплено» к электродам.
Эти потери тепла, которые возрастают линейно с увеличением скорости, должны быть компенсированы увеличением энергии разряда. Отрицательное влияние увеличения скорости во второй стадии воспламенения связано с уменьшением времени, в течение которого пламя может распространяться на всю первичную зону камеры от ядра искры, пока это ядро не будет унесено вниз по потоку. Суммарный эффект всех влияний сводится к некоторому увеличению минимальной энергии воспламенения с ростом скорости воздуха (рис.
7.18) 130, 361. Влияние ско- 271 Воспламенение смеси а камере сгорания рости на воспламенение в натурных камерах сгорания демонстрирует рис. 7.19, где показан положительный эффект снижения скорости в циркуляционной зоне камеры, которое достигалось в данном случае закрыванием части отверстий в жаровой трубе, служащих для подвода воздуха в первичную зону. Турбулентность. Отделившееся от электродов и унесенное в зону циркуляции ядро искры уже не подвергается воздействию относительной скорости воздуха. При этом теплоотвод О,И З 000 1000 М сд 1ао 0,02 0,01 10 1О 20 50 40 0 0,25 ' 0,5 Скорость, м/с Расход воздуха, кг/с Рнс. 7.18. Влияние скорости воздуха на минимальную энергию воспламенения 1371.
Р =100 кпа. гр=б.бб, Омсюое мкм. Я вЂ” ма3 т; и — дизсльиоа топливо: ,5 †газоал — изооктаи. Рис. 7.19. Влияние скорости в первич- ной зоне на пределы воспламенения. — иормальиаа скорость воздуха; — — — по- иижаакаа скорость воздуха. осуществляется посредством турбулентной диффузии, и его интенсивность определяется величиной пульсационной скорости и'. Отрицательное влияние турбулентности на воспламенение газовых смесей иллюстрирует рис. 7.10.
В натурных камерах сгорания уровень турбулентности в первичной зоне определяется перепадом давления на жаровой трубе. Свойства топпиаа В последнее время возникла и возрастает потребность в том, чтобы газотурбинные двигатели могли использовать жидкие топлива более широкого ассортимента. Поэтому влияние свойств топлива на характеристики воспламенения приобретает первостепенное значение.
Внд топлива. Характеристики воспламенения в камерах сгорания газотурбинных двигателей зависят главным образом от концентрации паров топлива вблизи свечи зажигания и в первичной зоне горения на протяжении периода запуска. Скорость испарения определяется двумя основными факторами: 272 Глава 7 1) летучестью топлива, которая характеризуется давлением паров по Рейду, температурой испарения 10 0110 массы [в соответствии со спецификацией АСТМ) или параметром массообмена В; 2) суммарной поверхностью капель топлива в факеле распыливания, определяемой величиной среднего заутеровского диаметра капель. Если бы спецификации топлив для авиационных газотурбинных двигателей были расширены с тем, чтобы включить в них 1ООО 100 1000 У 10 ьз 100 м ой 0,1 ' 10 1аа Взл, мкм 03 0,5 0,7 09,11 'Р Рнс. 7.20.
Влияние веяичииы гр н параметра массообмена В на минимальную энергию воспламенения [37]. Р=100 кпа, 0=15 м1с. Ом= — 100 мкм. ф — из сента; чу †керос: зь — газоаль; ь7 †дизельн топливо; Х вЂ” лнтронн; ° — мазут. Рис. 7.21. Влияние среднего размера капель на минимальную энергию воспламенения [371. кна, 0=15 м/с, 0=0,55.
М- мазут; т †дизельн тонлнно; ф — нзооктзн. больше фракций исходной сырой нефти, то наиболее значительными изменениями свойств топлив были бы увеличение содержания ароматических углеводородов и более высокая точка конца кипения 144]. Эти изменения уменьшают летучесть топлива и одновременно увеличивают его вязкость, снижая тем самым качество распыливания и уменьшая суммарную поверхность капель топлива. И то и другое приводит к уменьшению гтз Воспламенение смеси а камере сгераиип скорости испарения, что осложняет проблему запуска. Эти соображения приобрели бы еще большее значение, если бы отставание в добыче нефти заставило применять топлива, полученные из угля, сланцев и гудрона. Влияние летучести топлива на величину минимальной энергии воспламенения показано на рис.
7.20. Все данные на графике получены при постоянном значении среднего заутеровского диаметра 100 мкм, чтобы исключить из рассмотрения характеристики распыливания (которым обычно свойственно доминировать в процессе воспламенения) и выявить влияние собственно лет1чести. Полезные оценки требуемого для компенсации пониженной летучести увеличения энергии зажигания нли повышения качества распыливания могут быть получены с помощью уравнений (?.7) илн (7.12) и соответствующих значений с( из табл. 7.2.
Отношение топливо/воздух. Из простого рассмотрения требований к каждой из стадий процесса воспламенения ясно, что оптимальные условия получаются при приблизительно стехио. метрическом составе смеси в первичной зоне камеры сгорания, т. е. при наибольших скорости распространения и температуре пламени. Однако при запуске только испаренное топливо может участвовать в процессе воспламенения, и доля всего количества топлива, которая успевает испариться в течение располагаемого времени, зависит главным образом от летучести топлива и от качества его распыливания.
Поэтому среднее значение отношения топливо/воздух в первичной зоне, по существу, не имеет никакого значения; характеристики воспламенения определяются сэффективной» величиной отношения топливо/воздух, которая соответствует концентрации испаренного топлива. Идеальные для воспламенения условия реализуются тогда, когда «эффективная» величина к в первичной зоне камеры близка к стехиометрической. Характеристики распыливаиия.
Хорошо известно, что пусковые характеристики двигателя можно значительно улучшить путем подбора соответствующей форсунки. Обычные топлива недостаточно летучи для обеспечения количества пара, необходимого для воспламенения и горения, если не увеличивать значительно площадь поверхности топлива путем дробления его на большое число капель. Чем меньше размер капель, тем быстрее идет испарение топлива. Влияние размера капель на процесс воспламенения детально исследовалось автором и его сотрудниками в работах (1О, 36, 37, 40, 431 и было установлено, что оно имеет первостепенное значение.
Это видно на рис. 7.21, нз которого ясно следует, что даже небольшое понижение качества распыливания влечет за собой необходимость существенного увеличения минимальной энергии воспламенения. !8 Зае пм 274 Глава 7 " 20 а ОБОЗНАЧЕНИЯ А — константа в уравнении (7.4);  — параметр массообмена; С! = 0зо/0зз', Сз — 010/32 Сз = 0зо/0зз,' Распределение капель топлива в пространстве также важно для воспламенения. К сожалению, для натурных камер сгорания обычно характерен широкий спектр составов смеси в зоне горения. В частности, вблизи свечи зажигания смесь обычно заметно богаче, чем в среднем в первичной зоне камеры.
Поэтому в случаях, когда состав смеси идеален для первой стадии воспламенения, смесь может оказаться слишком бедной для второй стадии. И наоборот, когда состав идеален в зоне распространения пламени, весьма вероятно, что смесь вблизи свечи зажигания будет чрезмерно богатой топливом. СледовательОопасмь но, характеристики воспламееосппаменено» пения зависят не только от средней величины тс, но также и от распределения топлива в Омсдмо~аое потоке данной структуры. В це!а аосапамененоя лом уменьшение угла конуса 218К ' 295 К распыливания топлива благо- приятно для воспламенения, о ю 2а за оо особенно на больших высотах.
Месм»па ссорасмз аоздула,м/с Но на практике существует до- пустимый предел уменьшения Рис. 7.22. Влияние температуры топ- уГЛа КОНуеа раСПЫЛИВаиня. дива на пределы воснламенения, Тн = 2! 8 К 14]. Этот предел обусловлен увеличением дымности выхлопных газов (см. гл. 11). Температура топлива. Влияние температуры топлива на характеристики высотного запуска в общих чертах показано на рис. 7.2. Количественные данные получены при испытаниях камеры сгорания двигателя «Протей» 141.
Результаты представлены на рис. 7.22, из которого видно, что влияние низкой температуры топлива на воспламенение заключается в уменьшении диапазона скоростей смеси, в котором обеспечивается воспламенение при данной энергии разряда.
Этот эффект может быть объяснен влиянием температуры топлива на скорость его испарения. В целом скорость испарения при увеличении температуры топлива возрастает, частично из-за более высокой летучести, а также вследствие лучшего распыливания благодаря уменьшению вязкости топлива. 275 Воспнаменение смеси а камере сгорания с — удельная теплоемкость при постоянном давлении; Р— диаметр капли топлива; Ры — средний диаметр; Є— средний по площади поверхности диаметр; Р,„— средний по объему диаметр; Рз, — средний заутеровский диаметр; с( — расстояние гашения; Š— энергия активации; .Е„„„ — минимальная энергия воспламенения; /с — коэффициент теплопроводности; Р— давление; Р, — сгр/)з — число Прандтля; )с — газовая постоянная; Кер — — и'Р/т; йео,, = и'Рзз/т; Ес — скорость распространения ламинарного пламени; Яг — скорость распространения турбулентного пламени; Т вЂ” температура; ЛТ вЂ” подогрев при горении; 1, — время горения; У вЂ” скорость воздуха; и' — среднеквадратическое значение пульсационной скорости; 2 = С~Сад /Сзз' а = )с/с р — коэффициент температуропроводности; зс — отношение топливо/воздух (по массе); и — коэффициент динамической вязкости; т — коэффициент кинематической вязкости; р — плотность; ~р — коэффициент избытка топлива (эквивалентное отношение); ьс — исходная доля паров в общем количестве топлива.
Индексы кр — критическое значение; стех — стехиометрическое значение; А — воздух; Р— топливо; Ь вЂ” продукты сгорания; 0 — свежая смесь; 3 — вход в камеру сгорания. Теплопередача ВВЕДЕНИЕ При работе камер сгорания ГТД чаще всего происходят такие повреждения, как коробление и растрескивание жаровых труб. Если подобные дефекты возникают после относительно недолгой работы камер сгорания, то их причиной являются ошибки при проектировании и изготовлении жаровых труб. Иногда местные перегревы стенок могут быть следствием нарушений в распыливании топлива, вызванных неисправностью топливной форсунки, образованием кокса на форсунке и неточной установкой форсунки в жаровой трубе. Местные перегревы с1енок могут также происходить из-за наличия воспламени- тельного устройства или крепежных стоек и других деталей в кольцевом канале, срывное обтекание которых воздухом ухудшает конвективное охлаждение жаровой трубы в следах за этими препятствиями.
Однако даже если нет всех указанных недостатков, после длительной работы камеры сгорания так или иначе проявляются коробление и трещины жаровой трубы. Обычно при этом трещины образуются на кромках воздухоподводящих отверстий и «козырьков» для направления охлаждающего воздуха, а также в тех местах жаровой трубы, где могут возникнуть большие остаточные напряжения при ее изготовлении. Жаровая труба имеет сложную конструкцию, поэтому расчет термических напряжений и ее ресурса работы представляет сложную проблему. В общем, однако, известно, что коробление жаровых труб вызывается их длительной эксплуатацией при высокой температуре стенок и больших градиентах температур по стенке.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
