Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 59
Текст из файла (страница 59)
8.23. Совместное влияние давления, температуры и расхода воздуха. В реальных условиях полета увеличение расхода воздуха в камере сгорания сопровождается одновременным ростом давления и температуры воздуха на входе, так что величина комплекса (тТцз)Р)з остается примерно постоянной.
Поэтому при низких давлениях влияние роста давления на излучение пламени оказывается более значительным по сравнению с положительным влиянием расхода воздуха на интенсивность охлаждения. В результате этого температура стенок возрастает с повышением давления. При высоких давлениях (Р) 1000 кПа) влияния давления и расхода воздуха на температуру стенок компенсируют друг друга; однако при этом температура стенок все-таки несколько возрастает с повышением давления из-за сопутствующего роста температуры воздуха на входе в камеру сгорания.
Совместное влияние режимных параметров камеры сгорания, которые изменяются в результате изменения высоты и скорости летательного аппарата, представлено на рис. 8.24 — 8.27. Глава В 802 100 90 )ааа 600 ЬР 700 900 аао ьр - 700 баа баа баа 4оо а о,2 0,4 0,6 . 08 1,0 1 2 'М ' Рис. 8.26. Зависимость температуры стенки жаровой трубы от числа Маха (высота 20 км) 19). Д вЂ экспериме; — расчет по урапне«ию (з.тз). 100 10 , ба щ 60 ~ 40 40 20 га 20 " 60 60 100 0 Рис. 8.27. Изменения радиационной и конвективной составляющих теплового потока с числом Махз (высота 18 км) 19). 500 0 5 1О 1Б 20 25 Бисол)а, км Рис. 8.24. Изменение температуры стенки жаровой трубы с высотой полета )9). ( ) — эксперимент; — расчет по ураэиенкю (з.хз). ?00 5 10 )5 20 бэкоюо, км Рис.
8.26. Изменения радиационной и конзективной составляющих теплового потока с высотой полета (М = = 0,6) (91. :40 ;60 во 0,4. 0,8 12 М 303 Теплчпередача ПЛЕНОЧНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ Хотя существует много способов отвода тепла от стенок жаровой трубы наружу посредством излучения и конвекции, одним из наиболее эффективных и широко применяемых является использование пристеночной завесы охлаждающего воздуха (так называемое пленочное охлаждение). Суть этого способа охлаждения состоит в подаче охлаждающего воздуха через ряд кольцевых щелей в стенке вдоль внутренней поверхности жаровой трубы. Тем самым создается завеса относительно холодного воздуха между стенкой и горячими продуктами сгорания. Охлаждающая пелена воздуха постепенно размывается в результате турбулентного перемешивания ее с горячим газом ядра потока, поэтому щели для подачи охлаждающего воздуха располагаются последовательно вдоль жаровой трубы с интервалом 4 — 8 см.
В сужающейся концевой части жаровой трубы, где турбулентность в потоке горячего газа подавляется из-за ускорения потока, охлаждающая пелена может существовать на большем расстоянии. Основное преимущество метода пленочного охлаждения состоит в том, что система подачи охлаждающего воздуха может быть спроектирована с расчетом на работу в течение нескольких тысяч часов прн высоких давлениях н термических напряжениях.
Более того, пояса охлаждения придают конструкции гкаровой трубы механическую жесткость без существенного увеличения ее веса. Основной недостаток рассматриваемого метода охлаждения заключается в том, что не обеспечивается равномерная температура стенки по ее длине. Стенка наиболее охлаждена непосредственно за щелью, но по мере удаления от щели ее температура становится все выше. Таким образом, пленочное охлаждение является неэкономичным по расходу охлаждающего воздуха, поскольку стенку непосредственно за щелью приходится охлаждать больше, чем это необходимо.
При пленочном воздушном охлаждении широко используются перекрывающиеся секции жаровой трубы, козырьки и точеные распределительные кольца. Перекрывающиеся секции жаровой трубы с продольным вводом охлаждающей завесы При большой скорости потока в камере сгорания перепад статического давления на стенке жаровой трубы может оказаться недостаточным для того, чтобы обеспечить необходимый расход охлаждающего воздуха, В этом случае необходимо организовать втеканне охлаждающего воздуха в жаровую трубу под полным его давлением и с минимальными потерями.
Ранние конструкции ввода охлаждающего воздуха описаны в ра- 304 Глава а боте (30). Обычно жаровая труба собирается из нескольких секций, диаметр которых последовательно увеличивается таким образом, чтобы между соседними секциями мог быть образован радиальный кольцевой зазор. Секции частично перекрываются и соединяются между собой сваркой или пайкой с помощью Олл Оплаж- 4, дающие вез дал газ в — л камере тл! ь. Газ в ~амере — ъ. б Рис.
828, Устройства пленочного охлаждения. а — перекрывающпеск секпнн жаравоа трубы с гафрнрованноа лентой в радиальной щели: б — перекрывающнесп секцпн жаровой трубы с соедпнеппем отбаргавкаа; в — накладное кольцевой коамрек; с †точен распределптельнае кольцо. ! †пода воздуха под статическпм давлением; 2 †пода воздуха пад полным давлением. гофрированной ленты в зазоре (рис. 8.28, а) либо отбортовки секции большего диаметра (рис. 8.28,б). Второму конструктивному варианту часто отдается предпочтение. Накладные кольцевые козырьки В этих устройствах охлаждающий воздух поступает в жаровую трубу под перепадом статических давлений на стенке через ряд небольших отверстий в стенке жаровой трубы и затем направляется вдоль внутренней ее поверхности с помощью «козырька», который крепится к стенке заклепками или путем сварки (рис.
8.28, а). Благодаря козырьку отдельные струйки охлаждающего воздуха сливаются в непрерывную кольцевую завесу. Без козырька воздушные струи могли бы эжектировать горячие переобогащенные топливом газы и поэтому порождать местные очаги интенсивного горения, прилегающие к стенке.
Длина козырька обычно в -4 раза больше высоты щели, составляющей 0,15 — 0,30 см. теппопередача 305 Точеные распределительные кольца Такие кольца изготавливаются на токарном станке. Затем в них сверлятся отверстия для подачи охлаждающего воздуха. В зависимости от конструкции кольца этот воздух может поступать в жаровую трубу под полным давлением, под статическим давлением или в результате их совместного действия (рис. 8.28, г). Сравнительная оценка различных конструктивных схем пленочного охлаждения Применение устройств полного давления целесообразно тогда, когда перепад статического давления на стенке жаровой трубы недостаточен для того, чтобы обеспечить необходимый расход охлаждающего воздуха. Недостатком этого подхода является то, что неравномерность распределения воздуха в кольцевом канале сохраняется и в завесе по окружности жаровой трубы. Кроме того, при соединении секций жаровой трубы с помощью гофрированной ленты небольшие различия в толщине ленты могут вызвать большой разброс в расходах на завесу для одинаковых жаровых труб.
Даже малые отклонения в толщине листовых материалов (в пределах допусков) могут оказать заметное влияние на расход охладителя [31). Тем не менее пояса охлаждения с гофрированной лентой упешно применялись в ГТД с малыми степенями повышения давления в компрессоре (до — 18); при этом осуществлялся строгий контроль за качеством сварки и проводились гидравлические испытания с целью определения характеристик охлаждающих поясов.
Жесткость конструкции жаровой трубы с секциями, соединенными отбортовкойр меньше, чем с секциями, соединенными гофрированной лентой. В соединениях секций через отбортовку отверстия для подачи воздуха в завесу выполняются довольно точно, благодаря чему дозировка расходов охлаждающего воздуха получается более точной. Все же обычно перепад статического давления на стенке жаровой трубы более чем достаточен для создания требуемой воздушной завесы, и часто прибегают к мерам по увеличению гидравлического сопротивления в системе подачи охлаждающего воздуха. В случае кольцевых накладных козырьков площадь отверстий в стенке выбирается таким образом, чтобы через них проходило требуемое количество воздуха.
Козырек при этом должен обеспечивать затухание турбулентности и слияние струек воздуха в одну непрерывную кольцевую завесу. Высота щели на выходе из козырька должна быть такой, чтобы обеспечивалась необходимая скорость охлаждающего воздуха 20 за1'. тм Зов Глава $ в пленочной завесе. Этот способ организации охлаждающей завесы целесообразно применять в тех случаях, когда на выходе из щели нужно создать охлаждающую завесу с оптимальной скоростью независимо от перепада статического давления на стенке.
Конструктивная простота таких поясов охлаждения обеспечивает им широкое применение. Достоинства точечных колец состоят в точной дозировке подачи охлаждающего воздуха и высокой механической прочности жаровой трубы. Последний фактор особенно важен для кольцевых камер сгорания. Недостатками точеных колец по сравнению с другими способами подачи охлаждающего воздуха являются повышенные сложность и стоимость изготовления. Однако эти недостатки с лихвой компенсируются увеличенным сроком службы таких жаровых труб.
РАСЧЕТ ПЛЕНОЧНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ Почти все теоретические и экспериментальные исследования пленочного охлаждения были направлены иа определение О о Рис. 8.29. Схема пленочного охлаждения 132). параметров, которые описывали бы температуру адиабатической стенки на любом расстоянии от места выхода пленки охладителя. Ниже будут проанализированы результаты этих исследований, а затем будет показано, как можно применить эти результаты к неадиабатической (из-за излучения пламени и наружного охлаждения) стенке жаровой трубы. Когда между стенкой и потоком горячего газа вводится завеса охлаждающего воздуха, возникают три различные области Тепаапередача 307 течения (рис.
8.29). Первая область представляет собой потенциальное ядро охлаждающего воздуха. В пределах этой области температура адиабатической стенки практически равна температуре охлаждающего воздуха. За ней следует область, где распределение продольной скорости по нормали к стенке является типичным для пристеночных струй Ниже по потоку (в третьей области) осуществляется течение, близкое по характеру к течению в турбулентном пограничном слое.
Относительные длины всех трех областей зависят от отношения скоростей охлаждающего воздуха и газового потока (/,/(/,. При (/, ( (/, вторую область можно не рассматривать, н для описания всего течения ниже по потоку от потенциального ядра можно применять модель течения в турбулентном пограничном слое. Модель ло турбулентному пограничному слою Проведен ряд теоретических исследований пленочного охлаждения адиабатической стенки, в которых для описания течения в охлаждающей пленке использовалась модель турбулентного пограничного слоя [32 — 36]. Все эти теории дают почти одинаковые выражения для расчета эффективности пленочного охлаждения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
