Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 85
Текст из файла (страница 85)
Плохое распределение топлива происходит при низком давлении подачи, когда гидро- статическое давление становится существенным для нижних форсунок. Увеличение давления открытия клапана улучшает распределение топлива, а увеличение отношения )с ухудшает его. Для обеспечения более равномерного распределения топлива по форсункам следует устанавливать отдельные клапаны нэ каждой форсунке. 424 Глава 40 способом можно удовлетворительно распыливать топливо при расходе, равном 1 в/в его максимального значения; с уменьшением расхода качество распыливания даже повышается [77[. Средний размер капель керосина при закрытом перепуске определяется эмпирическим соотношением [60] !7м = 0 51лтж (брж) (10.37) Широкий диапазон расходов топлива при высоком качестве распыливания является наиболее важной характеристикой форсунки с перепуском.
Регулируя только перепуск и оставляя постоянным давление подачи топлива, можно получить диапазон изменения расходов 20: 1 [53). Если при этом изменять давление подачи в 25 раз, то диапазон изменения расходов увеличивается до 100:1. Другим достоинством этой форсунки является отсутствие движущихся частей и опасности засорения топливных каналов, поскольку они рассчитаны на большие расходы топлива. Однако в форсунке с перепуском происходит значительное (до 50') увеличение угла конуса распыла при уменьшении расхода топлива (ввиду уменьшения осевой компоненты скорости при сохранении радиальной компоненты).
Этот недостаток отрицательно сказывается на процессе горения; как упоминалось выше, желательно иметь обратную зависимость. Другими недостатками системы с перепуском являются: 1) сложность измерения расхода топлива по сравнению с другими типами форсунок и 2) необходимость использования топливных насосов повышенной производительности. По этим причинам в последние годы интерес к форсункам с перепуском снизился. Однако с увеличением содержания в авиационном топливе ароматических соединений могут возникнуть серьезные трудности, обусловленные отложением смол в узких каналах обычных форсунок.
Форсунка с перепуском такого недостатка не имеет, что делает ее привлекательной при использовании в авиационных двигателях топлив пониженного качества, для которых характерны высокое содержание ароматических соединений, большая вязкость и малая летучесть.
ФОРСУНКИ С ВЕЕРНЫМ ФАКЕЛОМ Плоский факел распыленного топлива можно получить посредством струй, вытекающих из щелей на плоской или цилиндрической поверхностях навстречу друг другу. Существуют форсунки, имеющие лишь одно отверстие, спрофилированное так, чтобы соударение потоков жидкости происходило внутри форсунки и топливо вытекало в виде веера с углом до 75'. Вокруг таких форсунок устанавливают экраны для подвода вспомога- 428 Подача топлива тельного воздуха с целью улучшения распыливаиия и обдува кромки сопла. При этом используется перепад давлений воздуха на жаровой трубе.
000 700 100 80 60 40 20 О ~а 80 100 заа 1ааа ЬР подачи пшпливо, кап Рис. 10.24. Характеристики распыливаиип форсунок с веерным факелом (вязкость топлива 6,5 1О-' ме!с) 183]. Плоские факелы исследовались в работах ]8, 81, 82]. Данные о среднем диаметре капель для форсунок с веерными факелами удалось описать формулой ]82] (10.38) Увеличение размеров капель с повышением давления воздуха объяснялось в работе ]82] тем, что распад пелены жидкости при этом происходит ближе к соплу, где пелена толще. Давление воздуха в камере, как оказалось, не влияет на угол факела распыла.
Как правило, капли, созда- О типл ивов ваемые этими форсунками, крупнее„ чем в случае центробежных форсунок при таких же расходах топлива. Однако в работе 183] описана форсунка Рис. 10.25. Форсунка с веерным факес веерным факелом, создаю- лом 184]. щая мелкие капли (0аа ( (25 мкм) масла с вязкостью до 8,5.10-в ма/с. Этн данные обобщены на рис. !0.24. При малых значениях перепада давлений топлива очевидна важная роль обдувочного воздуха. Форсунки с веерным факелом идеально подходят для малых кольцевых камер сгорания, так как они обеспечивают хорошее 426 Глава 10 распределение топлива и позволяют уменьшить число точек впрыска. Фирма «Ач'СО Лайкоминг» разработала несколько вариантов конструкции такой форсунки.
Один из них схематически показан на рис. 10.25. Более подробные сведения об этой и других форсунках имеются в работе [84[. ВРАЩАЮЩИЕСЯ ФОРСУНКИ Во вращающихся форсунках жидкость подводится на вращающуюся поверхность, по которой она под действием центробежной силы достаточно равномерно распределяется. Вращающаяся поверхность может иметь вид плоского диска, диска с лопатками, чашки или колеса со щелью диаметром от 25 до 450 мм.
Малые диски вращаются со скоростью до 80000 об/мнн„большие — до 12000 об/мин. Расход топлива через одну форсунку может достигать 1,4 кг/с [9[. Можно применять более низкие скорости вращения — до 3000 об/мин, если использовать вспомогательный воздух для улучшения распыливания. Такая система обладает большой универсальностью. Она позволяет успешно распыливать жидкости в широком диапазоне изменения вязкости. Важное свойство вращающихся форсунок заключается в возможности контроля толщины пелены жидкости и ее равномерности путем изменения расхода и частоты вращения. Процесс распыливания в поле центробежных сил изучался в ряде работ [8, 10, 85, 86].
Детальный обзор методов распыливания приведен в работе [9[. В зависимости от расхода жидкости и скорости вращения диска могут действовать различные механизмы распыливания. При малых расходах жидкость растекается по поверхности и сбрасывается с диска в виде отдельных капель одинакового размера. За каждой каплей тянется тонкая жидкая нить. Затем капли отделяются от нитей, из которых в свою очередь образуются мелкие капли примерно одинакового размера. Этот процесс нерегулярен н происходит в различных местах периферии вра. щающегося диска или чашки. С увеличением расхода процесс распыливания, по существу, не изменяется, но жидкие нити начинают образовываться по всей периферии, а их диаметр увеличивается. При еще большем расходе жидкости образуется тонкая пелена, распространяющаяся за кромку диска до тех пор, пока поверхностная энергия не сравняется с кинетической энергией пелены.
На ее границе образуется толстый валик, который затем разрывается на нити н капли; однако в отсутствие опорной твердой поверхности распад происходит нерегулярно, что приводит к большому различию капель по размерам. При очень большой окружной скорости диска (например, более 50 м/с) жидкость, достигшая края диска, сразу распылнвается под действием окружающего воздуха. 427 Подача топлива Установлено 187], что, за исключением ограниченного диапазона условий течения, вращение не сглаживает течение жидкости на поверхности, а равномерность толщины пелены в сильной степени зависит от спозоба подвода жидкости.
Установлено также, что толщина пелены в точке ее свободного распада обычно не зависит от скорости и диаметра диска или чашки, а является лишь функцией расхода жидкости. Описанный выше механизм распыливаиия вращающимися форсунками должен способствовать уменьшению среднего размера капель с повышением скорости вращения и увеличению размера с ростом расхода и вязкости топлива. Это соображение подтверждается различными теоретическими и экспериментальными исследованиями, в которых получен ряд соотношений между размерами капель и параметрами, характеризующими процесс распыливания 19). Одно из таких соотношений, наиболее подходящее для газотурбинных двигателей, имеет вид [88] .Оаз — — 6,701;1 /тУВии~, (10.39) где Рл — диаметр диска в метрах.
Эта формула получена для воды при расходах до 0,008 л/с, распыливаемой плоскими дисками, имевшими диаметр от 0,06 до 0,14 м и частоту вращения до 9000 об/с. РАСПЫЛИВАЮЩИЕ СИСТЕМЫ С ВРАЩАЮЩИМИСЯ СОПЛАМИ Во Франции фирмой «Тюрбомека» разработана удачная конструкция форсунки барабанного типа для использования в радиально-кольцевой камере сгорания (рис. 10.26). Топливо подводится под низким давлением г по полому валу двигателя и вытекает в радиальном направлении через сопла в стенке вала. Число сопел состав- ' 1 ( ляет от 9 до 18, а их диаметр— от 2,0 до 3,2 мм. Сопла располагаются в одном или двух рядах. Жидкостью никогда не за- $ полняют всю площадь попереч- 4 ного сечения сопла во нзбежа- Рис. 10.26.
система распыливавип ние засорения. Однако важно, фирмы «Тюрбомска». ЧТОбЫ СОПЛа бЫЛИ ТщатЕЛЬНО т — компрессор: т — воспламаииталв; 3 — по- лис лопатки соплового аппарата: ) — ввол ИЗГОТОВЛЕНЫ, а ИХ КРая ОТПО топлива. лированы,поскольку равномер. ность истечения жидкости сильно зависит от точности и чистоты обработки. При неравномерной подаче топлива на выходе из 428 Глава 10 камеры образуется вращающееся пятно горячих газов, которое разрушительным образом воздействует на лопатки турбины. Равномерность подачи жидкости сильно зависит от характера ее течения внутри вала, особенно в окрестности сопел.
В случае двух рядов сопел важно правильно распределить расход жидкости между рядами. Важную роль, кроме того, играет форма канала. Главными достоинствами системы с вращающимися соплами являются ее простота и малая стоимость изготовления.
Требуется низконапорный топливный насос, так как качество распыливания зависит только от частоты вращения вала двигателя. Эквивалентное давление подачи топлива очень велико: при максимальной частоте вращения вала двигателя оно составляет около 3,4 104 кПа. Удовлетворительное распылнвание достигается даже при -10% максимальной частоты вращения. Влияние вязкости топлива невелико, поэтому такая система в принципе пригодна для распыливания различных топлив.
Из испытаний серии барабанных распылителей различного диаметра при различных числах и размерах сопел было установлено 1891, что средний диаметр капель обратно пропорционален окружной скорости барабана. В случае распыливания керосина (10.40) Г1м = 0,0426/1"4, где ~'л — окружная скорость барабана, м/с. Одним из недостатков системы с вращающимися соплами является запаздывание изменения расхода вследствие большого пути, проходимого топливом. Более серьезной проблемой является обеспечение высотного запуска двигателя, поскольку на режиме авторотации двигателя частота вращения вала мала и качество распыливания снижается. Описанная система идеально подходит для малоразмерных двигателей с низкой степенью повышения давления воздуха, и до настоящего времени это было основной областью ее применения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
