Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 63
Текст из файла (страница 63)
Кроме того, градиенты температур вдоль стенки трансплая значительно меньше, чем при пленочном охлаждении. Следует отметить еще одно возможное достоинство трансплая — при его применении должен снижаться уровень выброса Пленочное оллаыоение 323 Теппепередеча достоинством этого материала является то, что тепловые процессы в нем можно регулировать и оптимизировать, К изменяемым конструктивным параметрам материала относятся размер отверстий и расстояние между ними, число и толщина слоев, глубина, ширина и шаг воздушных каналов между слоями. Материал может изготов- с.й> с ляться из любых освоенных промышленностью жаростойких свариваемых сплавов.
Исследования ламиллоя показали, что он имеет такие же потенциальные возможности, Ряс. 8Л3. Конструктивная схема стенкак и трансплай 151]. Этот ма- кя жаровой трубы яз лаыяллоя 1811 териал успешно испытан при температуре продуктов сгорания, соответствующей сгоранию почти стехиометрической смеси 161]. Продолжается совершенствование ламиллоя, особенно в части технологии изготовления (сварка, выполнение каналов и отверстий), а также уменьшения стоимости и улучшения контроля допусков на размеры при изготовлении материала. Перфорационное охлаждение Более практическим устройством, схожим с пористой стенкой, является перфорированная стенка с большим числом регулярных маленьких отверстий (рис. 8.36,г).
Размер отверстий должен быть таким, чтобы они не засорялись, но в то же время чтобы расход воздуха в струйке был небольшим. Если струйки воздуха из отверстий слабо проникают в поток горячего газа, то вдоль внутренней поверхности жаровой трубы образуется пелена охлаждающего воздуха. При глубоком проникновении струек воздуха в основной поток они быстро смешиваются с горячим газом, и хорошего охлаждения стенок ниже по потоку не получается. Этот метод охлаждения применим во многих случаях, но наибольший эффект достигается при использовании его на отдельных участках жаровых труб, где ввод воздуха целесообразен не только для охлаждения стенки, но и для последующего его участия в процессе горения и разбавления.
Если перфорационное охлаждение применяется на большой площади поверхности жаровой трубы, то эффективность охлаждения стенки может быть значительно повышена путем комбинирования этого охлаждения с пленочным (рис. 8.36,д). К сожалению, опубликованных данных по эффективности перфорационного охлаждения мало. Этот метод охлаждения сравнивается с другими на рис.
8.44. 21* Глава а 324 Стенка-жапюзм Другой попыткой создания аналога пористой стенки с практическим применением является стенка-жалюзи (рис. 8.45). В трубчатой камере сгорания такая стенка изготовляется из ряда металлических листов в форме усеченных конусов, разделенных выштамповками. По образовавшимся между листами щелям проходит охлаждающий воздух, который затем смешивается с потоком горячего газа в полости жаровой трубы. ы 50 И 50 рн горячей газ ятемодм оллнмдення Рис. 8.44. Сравнение различных методов ох- Рис. 8.46.
Стенка-жалюзи [626 лвждения стенок (необходимый расход охлвждаюгнего воздуха при постоянной температуре стенки) (48]. Рз —— ззхз кпа, Тз ЗЗЗ К, Т„=ЮОО К. Характеристики теплоотдачи стенки-жалюзи определялись в работе [62], где они представлены в виде формулы для КПД теплообменника ((7 ] ))з )]зд у (8.57) Здесь и, = (тв, — т.з) () „, — тмз), У = (/ге~2) (! — Г) пО((т„ср,)', где )' — проницаемость конструкции, Ь вЂ” коэффициент теплообмена между стенкой-жалюзи и охлаждающим воздухом, сг'— смоченный периметр на единицу площади поверхности стенки.
Формула (8.57) имеет безразмерный вид, что позволяет определить расход охлаждающего воздуха при заданной температуре стенки в любой выбранной системе единиц. Некоторые типичные результаты расчета, взятые из работы (62], приве. деиы на рис. 8.46. 325 Теппопередвчв Основным достоинством рассматриваемой системы охлаждения является большая поверхность для теплового взаимодействия между стенкой и охлаждающим воздухом по сравнению с поверхностью, обращенной к горячему газу. Некоторые способы увеличения теплосъема со стенки описаны в работе [63]. К ним относятся уменьшение толщины листов и высоты выштамповок в листах, а также увеличение угла между коническими поверхностями и осью камеры сгорания (т.
е. увеличение числа конических поверхностей на единицу длины жаровой трубы). К сожалению, эти меры не только увеличивают трудности и стоимость изготовления жаровой трубы, но и приводят к ' р,хпа снижению механической проч- "м 1600 ности и надежности конструк- л- М ции. В рассматриваемой системе гкй 10 400 охлаждения необходимо созда- Ц 0 вать большие перепады давле- ф ния на стенках для того, что- о бы обеспечить требуемое рас- ' 100 пределеиие охлаждающего воздуха по всем участкам жаро- ". 01 вой трубы. Если зазоры между 005 стенками малы, то малейшие ' 900 1000 Пао 1200 1500 ошибки в изготовлении или И" сборке стенок могут вызвать Рис.
8.46, Зависимость температуры местный перегрев. С другой стенки от расхода охлвждвкидего вовстороны, если указанные зазо- духи и дивметрв жаРовой трубы [62!. — — — 0В=ЬОХ м; — Ос=Од! и. ры будут большими, то перепад давления на стенке окажется малым, т. е.
сравнимым с величиной падения давления вдоль жаровой трубы в результате горения и смешения. В этом случае начальный участок жаровой трубы будет испытывать недостаток охлаждающего воздуха, тогда как конец жаровой трубы будет интенсивно охлаждаться, т. е. система охлаждения окажется ненадежной и неэкономичной. По указанным выше соображениям, более полно изложенным в работах [53] и [53], опыт разработки камер сгорания с такой системой охлаждения признан в общем неудачным. Оребренные стенки Конвективная теплопередача от жаровой трубы Сх может быть увеличена с помощью ребер или других выступающих элементов, которые увеличивают эффективную поверхность [53]. Ребра не могут отдавать тепло с эффективностью !00 о1ю так как для теплоотвода вдоль ребра от его основания должен 326 Гиааа В существовать градиент температуры. Эффективность охлаждения при применении ребер может быть выражена следующим образом; пр=(Т.
— Т.)(Т. — Т.), где (Т вЂ” Т,) — разность средних температур ребра и воздуха, (Т вЂ” Т,) — разность температур ребра и воздуха у основания ребра. Значение цр зависит от теплопроводности материала ребра и от его размеров (рис. 8.47). Более подробные данные о конвективной теплопередаче 08 от развитых можно найти [64) . Обычно для удобства расчетов вводят эффективный коэффициент теплоотдачи, относящийся только к основной (неразвитой) поверхности стенки; поверхностен в работе 05 7р 0, 0,2 й =й((+ц,— „), 0,0 5,0 2,0 3,0 4,0 Нр(зап(Кртр>ал ' (8. 68) Рис. 8.47.
Эффективность охлаждения для трех типов ребер [644 Й вЂ «оэффиииеит теплов«две«; и †«оэфа фипиент теплопроводиости ребер. где йа — коэффициент теплоотдачи поверхности без ребер, Тр — площадь ребер, Р— площадь основной поверхности. Развитые поверхности типа оребренных пока не находят применения в камерах сгорания авиационных ГТД из-за сопутствующего этому увеличения массы конструкции, а также нз-за низкой теплопроводности материалов типа нимоника, которые обычно используются для изготовления жаровых труб.
Оребрение внешней поверхности жаровой трубы широко применяется в промышленных газотурбинных установках. Жаростойкие покрытия Для увеличения ресурса жаровых труб целесообразно покрывать их внутреннюю поверхность тонким слоем жаростойкого материала. Такое покрытие с малой степенью черноты и низкой теплопроводностью обеспечивает снижение температуры стенки благодаря эффективному отражению излучения от продуктов сгорания и своим теплоизолирующим свойствам. Снижение температуры стенки жаровой трубы в результате нанесения жаростойкого покрытия иллюстрирует рис.
8.48. Например, дли типичных режимнь>х условий 1-мм кера- згт тепнопередана мическое покрытие с коэффициентом теплопроводности й = 0,66 Вт/(м К) обеспечивает снижение температуры стенки на 100 К [48]. Применительно к авиационным ГТД жаростойкие покрытия наиболее целесообразно наносить в конце жаровой трубы (в газосборнике). В этой зоне лучистые потоки тепла относительно малы, т. е. условия работы покрытий менее жесткие, чем в центральной части жаровой трубы. Кроме того, организация !000 0 юн0 сн !20 'с П00 !00 0 ОД 1,0 1,5 ДО Р,,м 0 10 2,0 ТОЛ!донн,ни Рис. 8.48. Влияние толп!ивы керамического покрытия на температуру стенки жаровой трубы 1481 Ра=2425 кпа.
Т =8!0 К. Т„=2000 К. коэффипиент теплопроаопности покрытия Й „ = =ОЛО Втии. К!. Рис. 8.49. Зависимость удельного теплового потока к стенкам жаровой трубы от ее диаметра для трех различных материалов стенки [28). Р =1200 кпа, т =573 к, к 0,05, топливов тяжелый Листиллят. ! — нержавеющая стель, Ты=973 К, с =0,8; 2 — ниноиик 7о, Т 1173 К, аю — — 0,85; 3 — кирпичная облипавка. Т =1573 К, а„=03: а — кирпичная облииоака, т =1773 К, а =0,3. пленочного охлаждения в этой зоне затруднена из-за кривизны стенок. Хотя жаростойкие покрытия использовались еще в начале 1960-х гг., они не нашли пока широкого применения. Еще не полностью изучены свойства покрытий и неполностью решена проблема хорошего сцепления между материалами покрытия и стенки.
Кроме того, нанесение покрытий затрудняет организацию пленочного охлаждения. Если от стенки оторвется часть покрытия, то это приведет к местному перегреву стенки жаровой трубы и ее короблению. Однако большинство проблем, связанных с применением жаростойких покрытий, поддается решению. Поэтому имеются перспективы их широкого применения, особенно в двигателях пассажирских самолетов с большим сроком службы. Для крупных промышленных камер сгорания ГТД, где размеры и масса не столь существенны, целесообразно использовать жаростойкую кирпичную облицовку.
Такие кирпичи 32а Глава В выдерживают температуру почти 1900 К, но не обеспечивают прочности конструкции без применения металлического кожуха. Следовательно, ограничивающим фактором в применении жаростойкой кирпичной облицовки является температура наружной поверхности кирпича (т. е. рабочая температура жаровой трубы), определяемая выражением Т,-Т„,— (8.59) где Т,— температура наружной поверхности облицовки; Т Г— температура внутренней поверхности облицовки; Я» — тепловой поток, проходящий через облицовку; я» — коэффициент теплопроводности облйцовки; 㻠— толщина облицовки; А — средне- логарифмическая величина поверхности облицовки. В проектировочном расчете камеры сгорания значение Т ~ можно принять равным температуре горячего газа.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
