Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 54
Текст из файла (страница 54)
Трещины, как правило, образуются из-за малоцикловой усталости материала стенки, обусловленной нестационарностью распределения температуры стенки жаровой трубы (главным образом на режимах ускорений и взлета, при которых изгибные нагрузки на жаровую трубу максимальны). Таким образом, для обеспечения относительно большого ресурса жаровой трубы необходимо выдерживать значения температуры и ее градиентов по стенке в некоторых установленных пределах.
Хотя эти пределы никогда не были определены точно, опытные данные показывают, что для никелевых сплавов, та- 277 теппепередача кнх, как нимоник-75 и хастеллой-Х, температура стенок не должна превышать 1100 К. Для выполнения этого условия от стенок жаровой трубы отводится тепло посредством излучения на корпус камеры сгорания н конвекции к воздуху, обтекающему жаровую трубу снаружи. Кроме того, на внутренней поверхности жаровой трубы создается завеса охлаждающего воздуха. Как и для многих других типов тепловых машин, термический кпд газотурбинных двигателей увеличивается с ростом степени повышения давления. Степень повышения давления воздуха в компрессоре заметно повысилась за последние 30 лет и, по-видимому, будет увеличиваться в дальнейшем. С ростом давления в камере увеличиваются лучистые потоки тепла от газов в полости жаровой трубы к ее стенкам. Вследствие увеличения степени повышения давления растет и температура воздуха на входе в камеру сгорания, что приводит к уменьшению хладоресурса воздуха в кольцевых каналах, охлаждающего жаровую трубу посредством конвекции.
Таким образом, с повышением давления за компрессором проблема охлаждения стенок камеры сгорания усложняется, и в современных ГТД для охлаждения стенок жаровой трубы используется более чем одна треть общего расхода воздуха через камеру. К сожалению, увеличение доли воздуха, вводимого вдоль внутренней стенки жаровой трубы, в сочетании с неизбежным уменьшением доли воздуха, подаваемого в зону разбавления, ухудшает равномерность температуры газа на выходе из камеры сгорания. Более того, охлаждающий воздух вызывает «замораживание» (значительное замедление и прекращение) промежуточных химических реакций при горении вблизи стенки, что приводит к понижению полноты сгорания (особенно на режимах малого газа) и, следовательно, к увеличению выбросов окиси углерода и несгоревших углеводов.
По этим причинам необходимо всемерно повышать эффективность систем охлаждения жаровых труб, сводя этим к минимуму расход охлаждающего воздуха. На практике применяются различные системы охлаждения. Совершенствование существующих и поиски новых систем охлаждения активно продолжаются. Далее будут рассмотрены некоторые особенности конструкции и характеристики систем охлаждения с учетом их практической важности. ПРОЦЕССЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ Для описания процессов теплопередачи в камере сгорания жаровую трубу можно представить как сосуд с окружающим его кожухом; в сосуде протекает горячий газ, а в кольцевом пространстве между сосудом и кожухом — воздух.
Жаровая труба нагревается изнутри излучением и конвекцией от горячих гув Глава 8 газов в ее полости и охлаждается посредством излучения ее стенок на внешний кожух и конвекции к воздуху, протекающему снаружи ее. Относительные величины лучистых и конвективных потоков тепла зависят от формы и размеров камеры сгорания и от условий горения. В стационарных условиях тепловые потоки к стенкам жаровой трубы изнутри равны тепловым потокам от трубы наружу (кондуктивный поток тепла вдоль стенки Рис.
8.К Основные процессы теплопередачи дли стенки жаровой трубы. аг †лучист поток от горячих газов: Сг — коввективный поток от горячиХ газов; аз †лучистый поток от жаровой трубы к корпусу камеры: Сг — конвективный поток от жаровой трубы к наружному охлаждающему ааздухуг К~ з — кондуктивный поток поперек стенки; К вЂ” иондуктивный поток вдоль стенки.
относительно мал и, как правило, не учитывается); в соответствии с этим равенством устанавливается равновесная температура в каждой точке стенки жаровой трубы. Физическая модель, изображенная на рис. 8.1, учитывает только продольное изменение всех определяющих теплопередачу параметров, которые принимаются постоянными в любом поперечном сечении камеры сгорания. При стационарных условиях тепловой поток изнутри к любому элементарному участку стенки жаровой трубы плошадью ЛА г должен быть сбалансирован тепловым потоком наружу от этого же элемента, т. е. (Р1+ С, + К) ЛАм, = (Яе + С ) ЛА ма = К, е ЛАю,.
(8.1) В случае тонких стенок жаровой трубы кондуктивный поток тепла вдоль стенки К пренебрежимо мал по сравнению с другими тепловымн потоками; кроме того, ЛА и -- ЛА г. С учетом сделанных замечаний уравнение (8.1) приводится к более простому виду (8.2) УГ1 + Сг = Рга + Сй = Кг-е где Кг е — удельный кондуктивный тепловой поток поперек стенки, который определяется градиентом температуры по тол- 279 Теппепепедача щине стенки: (8.3) В последующих разделах этой главы будут выведены выражения для )сь Сь Яд и С,.
Подставляя эти выражения в уравнение (8.2), можно вычислить температуру стенки для любых заданных режимных параметров на входе в камеру сгорания: давления, температуры, расхода воздуха и отношения расходов топлива и воздуха (х). ИЗЛУЧЕНИЕ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ В условиях работы большинства камер сгорания газотурбинных двигателей значительная часть тепла от горячих газов к стенкам жаровой трубы передается посредством излучения. На участках жаровой трубы, где имеется охлаждающая воздушная завеса, которая защищает стенки от горячего газа, передача тепла от этого газа к стенкам осуществляется только излучением. Для продуктов сгорания топлив ГТД характерны два вида теплового излучения: 1) излучение газов (в основном углекислого газа и водяного пара) и 2) излучение твердых частиц (в основном сажи), которое зависит от размера частиц и их количества в пламени.
Обе составляющие лучистого потока учитываются при расчете температуры стенки жаровой трубы и расхода воздуха, необходимого для ее охлаждения. Излучение газов Характеристики излучения горячих газов рассматривались в работах [1 — 3]. Известно, что излучение проявляется в виде спектра длин волн. Если твердые тела излучают тепло на всех длинах волн, то газы излучают сугубо дискретно в нескольких узких полосах, расположенных в инфракрасной области спектра. Для любой газовой составляющей излучение происходит при длине волны, соответствующей частоте колебаний атомов в молекуле. Так как в молекуле существует несколько мод колебаний, излучение происходит на нескольких длинах волн. Число, ширина и интенсивность излучения для разных полос зависят от состава, давления и температуры газа, а также от занимаемого им объема.
В камерах сгорания газотурбинных двигателей образуются излучающие вещества, характерные для всех углеводородных пламен. Продукты сгорания состоят в основном из Н20, СОТ и На при небольших количествах СО, НО, НОл Ом Нт и совсем малых примесях других газов. Для несветящихся пламен полосчатость спектра излучения НзО и СО, наиболее сильно прояв- 280 Глава в ляется вплоть до температуры около 3000 К. Центры полос иьтенсивного излучения водяного пара соответствуют длинам волн 1,9, 2,8, 6,7 и 21 мкм; имеется еще одна полоса сильного излучения около 2,7 мкм.
Углекислый газ излучает наиболее сильно в окрестности длин волн 4,3 и 15 мкм и в двух полосах около 2,7 мкм. Прн более высоких температурах молекулы НвО и СОв диссоциируют, а излучение двухатомных молекул, особенно СО, возрастает. Вклад других молекул в общее излучение газов невелик. Например, газы с симметричными молекулами, такие, как Нм Ор и Ыь почти не излучают тепло даже при самых высоких температурах пламени. Величина удельного лучистого потока от газа к окружающей его оболочке может быть вычислена при задании размеров и формы оболочки, заполненной этим газом, а также давления, температуры и химического состава газа. Рассмотрим лучистый теплообмен между газом с температурой Т„и абсолютно черной поверхностью оболочки с температурой Т ь Если псверхность оболочки излучает и поглощает тепло на всех длинах волн, то газ излучает только в нескольких узких полосах спектра и поглощает в тех же полосах.
Результирующий удельный лучистый поток вычисляется по формуле 14, 5). 1с =о(вТ4 — цТ4 ) (8.4) где о = 5,67 10 — а Вт/(мв К') — постоянная Стефана — Больцмана, е, и я,— излучательная и поглощательная способности газа соответственно. Значения е, и а„ зависят от состава газа. Кроме того, величина е„, которая характеризует степень излучения газа, зависит от температуры Т„, а величина а„, которая представляет собой степень поглощения газом излучения от стенки, зависит от температуры Т„ь В действительности поверхность стенки, обращенная к пламени, не бывает абсолютно черной. Стенка обладает некоторой степенью черноты е ( 1. Отличие е„ от единицы в практических расчетах может быть учтено множителем 0,5(1+ е„).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
