Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 76
Текст из файла (страница 76)
Основные проблемы, связанные с применением метана, обусловлены его малой плотностью и низкой температурой кипения. Метан требует большего на 70 а7а объема топливных баков, чем современные сорта керосинов (хотя и значительно меньше, чем водород); размещение таких баков может оказаться сложной проблемой для самолетов с тонкими несущими плоскостями или самолетов с переменной стреловидностью крыла. К проблемам использования метана, свойственным и другим низкокипящим топливам, относятся также конденсация атмосферной влаги, приводящая к обледенению крыльев, и потери топлива нз-за кипения его на режиме набора высоты. В работе [83] рассмотрены различные методы уменьшения возможности закипания жидкого метана.
Жмднмй продан Из табл. 9.5 следует, что характеристики пропана близки к метану, и поэтому он заслуживает внимания во всех тех случаях, когда рассматривается возможность применения метана. По сравнению с метаном пропан обладает меньшей удельной энергией и меньшим хладоресурсом..Однако вследствие более высокой температуры кипения он более удобен в эксплуатации.
В частности, он может храниться в жидком состоянии при температуре окружающей среды, для этого достаточно относительно небольшого наддува топливного бака. По всей видимости, однако, пропан как авиационное топливо сможет найти применение лишь для решения частных задач. Жидкий аммиак Аммиак имеет низкую теплотворную способность, которая не превышает 40 а/а теплотворности керосина, и поэтому представляет интерес лишь в связи с тем, что обладает большим хладоресурсом.
С учетом его низкой теплотворной способности вероятность использования аммиака в качестве основного топлива мала, однако он может найти применение как вспомогательное топливо в тех случаях, когда окажется выгодным использовать его большой хладоресурс. Подобно пропану, аммиак может храниться в жидком состоянии при атмосферной температуре и несколько повышенном давлении в баках. 384 Глава Ф Спирты Спирты практически непригодны в качестве топлив для дальней авиации, так как нз-за большого содержания в них кислорода они имеют низкую теплотворную способность.
Например, у метанола (СНзОН) половину молекулярной массы составляет кислород. Легкие спирты считаются более безопасными в эксплуатации, чем бензин, в связи с тем, что обладают более высокой температурой вспышки, а также потому, что Таблица 9.6 Свойства спиртов [7, 79] Керосив 1лнш) Этиловый спирт Мсти ловы й спирт Свойство 0,8 42,8 СН ОН 0,797 19,9 0,794 26,8 Химическая формула Относительная плотность при 15,5 'С Низшая теплотворная способность, Мцж/кг Молекулярная масса Температура кипения, К Температура замерзания, К Стехиометрическое отношение топливо!воздух, по массе Поверхностное натяжение, Н/м Вязкость при 293 К, 10 и /с 32,04 338 178 0,155 46,068 351 156 0,11! ! 70,3 423 †5 223 0,0676 0,02767 1,65 0,0226 0,75 0,0223 1,51 Суспензионные топлива К суспензионным топливам, представляющим интерес для авиации, относятся взвеси порошков различных металлов — бериллия, бора, алюминия и магния — в бензине или керосине.
Применение этих топлив позволило бы увеличить дальность спиртовые пламена можно тушить водой. Однако они, по-видимому, разъедают некоторые металлы, и потребуется предпринять какие-то меры для предотвращения этого явления. Метанол, если он имеется в достаточных количествах, весьма привлекателен в качестве топлива для промышленных газотурбинных установок. Он не образует золы и почти не создает дыма. Для метанола характерно голубое малосветящееся пламя и широкие пределы воспламенения.
Более того, низкая температура пламени, обеспечивает низкий уровень выброса окислов азота. Зтанол в настоящее время используется в смеси с 10 ого бензина в качестве автомобильного топлива, например в Бразилии и США. В Бразилии этаиол успешно используется также на одной из крупных газотурбинных установок. Некоторые свойства метанола и этанола приведены в табл.
9.6. 385 Топлива длл гааотурбиллыв двигателей полета илн получить большую тягу по сравнению с обычными углеводородными топливами. В НАВА были проведены исследования возможности использования в качестве топлива для форсажных камер и прямоточных двигателей суспензий, представляющих собой взвеси бора или магния в количестве 50 7а и более в жидких углеводородных топливах.
Испытания камер сгорания различных конструкций показали, что магниевые суспензии хорошо горят даже в условиях, при которых чистые углеводородные топлива гореть не могут. Суспензии с бором сжигать труднее, чем обычные реактивные топлива. Кроме того, они образуют нежелательные отложения на стенках камер сгорания. К другим проблемам, связанным с применением суспензионных топлив, относятся технология их приготовления и хранения, а также абразивный износ топливных насосов и магистралей.
После завершения программы ХАЗА (в 1958 г.) работы, посвященные суспензионным топливам, почти не публиковались. ОБОЗНАЧЕНИЯ Н,„— удельная энергия топлива, МДж/кг; ̈́— низшая теплотворная способность, МДж/кг; Н, — энергетическая плотность топлива, МДж/ма; С вЂ” концентрация; с — удельная теплоемкость, кДж/(кг К); д — коэффициент теплопроводности, Вт/м К; Л вЂ” скрытая теплота испарения, кДж/кг; М вЂ” число Маха; т — молекулярная масса; гс — параметр излучения; Т вЂ” температура, К; Яг — индекс Уоббе; о — поверхностное натяжение, Н/м; х — отношение топливо/воздух; о — кинематнческая вязкость, м'/с. р — плотность, г/см'. Индексы з — замерзание; кк — конец кипения; нк — начало кипения; п — пар; т — топливо,' Т вЂ самовоспламенен; †нормированн величина.
25 Зле тм 10 Подача топлива ВВЕДЕНИЕ Почти все топлива, используемые в газотурбинных двигателях, в нормальных условиях являются жидкими и поэтому должны быть распылены перед подачей в зону горения. Процесс превращения некоторого объема жидкости в совокупность большого числа мелких капель называется распыливанием. Этот процесс предназначен для увеличения отношения поверхности жидкости к ее объему с целью получения высокой скорости испарения. Распыливание осуществляется довольно просто: для большинства жидкостей достаточно создать лишь большую разность скоростей между жидкостью и окружающим воздухом или газом.
Такая разность скоростей обычно достигается при истечении жидкости из форсунки с большой скоростью в относительно медленно движущийся газ или воздух. По этому принципу работают различные типы механических форсунок (с подачей жидкости под давлением), а также вращающиеся форсунки, в которых жидкость стекает с края вращающейся чашки или диска.
Другой способ получения требуемой разности скоростей состоит в обдуве воздухом сравнительно медленно движущейся жидкости. Разновидностями этого способа являются газовое распыливание с внутренним соприкосновением потоков, распыливание с помощью вспомогательного воздуха и пневматическое распыливание. Процесс подачи топлива играет большую роль в обеспечении надлежащих характеристик процесса горения. В будущем, вероятно, эта роль еще более усилится, поскольку к авиационным двигателям и промышленным газотурбинным установкам предъявляются все возрастающие требования в отношении снижения выбросов вредных веществ, а также ввиду необходимости использования синтетических топлив и топлив более тяжелых фракций.
Потребуется создавать универсальные топливоподаюшие устройства, обеспечивающие распыливание различных топлив. В связи с этим специалисты в области горения должны знать основы процесса распыливания, а также иметь представление о возможностях и ограничениях устройств, применяемых для подачи топлива. Эти вопросы детально обсуждаются в дан- Подача топпива 387 ной главе. В первых разделах описываются механизмы распыливания и различные средства измерения и определения характеристик размеров образующихся капель. Остальная часть главы в основном посвящена методам практического получения мелкодисперсного аэрозоля и описанию влияния свойств топлива, конструкции форсунки и режимных параметров камеры сгорания на характеристики распыливания.
Наибольшее внимание здесь уделено механическим и пневматическим форсункам, но рассмотрены также конструкции с подачей вспомогательного воздуха и вращающиеся форсунки. Лишь кратко описаны обычные испарительные системы ввиду уменьшения интереса к их использованию. Эвопюция применения форсунок в ГТД Самым ранним устройством подачи топлива, примененным в авиационных газотурбинных двигателях, была так называемая одноступенчатая центробежная форсунка. В этой форсунке топливо под давлением подается через тангенциальные каналы в камеру закручивания, из которой оно вытекает в виде конической пелены, быстро распадающейся на капли.
Однако одноступенчатые форсунки обеспечивают устойчивое горение лишь в узком диапазоне изменения расхода топлива. Кроме того, при работе двигателей с такими форсунками на большой высоте полета нередко происходят существенное понижение полноты сгорания топлива н ухудшение пусковых характеристик. Для устранения этих недостатков были предложены различные типы более универсальных форсунок, в том числе так называемая двухступенчатая форсунка, которая нашла широкое применение. Разработка этих форсунок вместе с достижениями в создании топливных насосов и систем автоматического регулирования на многие годы сделала систему топливоподачи наиболее удовлетворительной и надежной системой ГТД. В ходе совершенствования двигателей, а также вследствие постоянной тенденции к увеличению степени повышения давления воздуха в компрессоре использование механических форсунок стало все чаще приводить к снижению равномерности поля температур газа в выходном сечении камеры сгорания н к чрезмерному дымлению.
В свете этих проблем возродился интерес к пневматическим форсункам, распыливание в которых происходит при подаче топлива в высокоскоростной воздушный поток. Форсунка такого типа идеально подходит для газотурбинного двигателя, поскольку в нем благодаря перепаду давлений на жаровой трубе всегда имеется поток воздуха большой скорости. Кроме того, пневматическая форсунка образует смесь топлива 25* звв Глава 1В с воздухом до подачи компонентов в камеру сгорания, что заметно уменьшает содержание дыма и окислов азота в выхлопных газах.
ТРЕБОВАНИЯ К РАСПЫЛИВАЮЩИМ УСТРОЙСТВАМ К распыливающим устройствам предъявляются следующие требования: 1. Хорошее распыливание топлива во всем диапазоне его расходов. 2. Быстрая реакция на изменения положения ручки управления двигателем. 3. Отсутствие нестабильных режимов течения. 4. Отсутствие склонности к засорению посторонними частицами и отложению нагара на сопловой поверхности. 5. Отсутствие склонности к образованию смолистых отложений при нагреве конструкции. 6. Воэможность геометрического и физического моделирования при конструировании.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
