Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 86
Текст из файла (страница 86)
Использовать системы с вращающимися соплами лучше всего при больших значениях частоты вращения вала двигателя (более 20000 об/мин). В больших двигателях частота вращения вала значительно меньше. Кроме того, в случае большой степени повышения давления воздуха возникают трудности с охлаждением стенок камеры ввиду сложного пути ввода охлаждающего воздуха. В США системы распыливания вращающимися соплами успешно использовались на нескольких двигателях фирмы «Вильямс рисерч». Публикаций об этих системах немного. Полезные сведения имеются в работах 190 †9. Подача топинва 429 ФОРСУНКИ С ПОДВОДОМ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ВОЗДУХА Отметим некоторые соображения о полезном влиянии потока воздуха на распад струи или жидкости. Примером такого влияния служит использование обдувочного воздуха вокруг одноканальных форсунок или форсунок с веерным факелом. Как указывалось выше, главным недостатком одноканальной форсунки является малый перепад давлений на режиме малого расхода топлива, если эта форсунка предназначена для работы с большой производительностью на номинальном режиме.
Одним из решений этой проблемы является применение двухсопловых или Топлива Теплово воздух Рис. 10.27. Форсунка с внутренним со- Рис. 10.28. Форсунка с внешним соприкосновением потоков воздуха и прикосновением потоков воздуха и топлива. топлива. двухканальных форсунок, однако в случае одноканальной форсунки можно использовать поток воздуха или пара для улучшения распыливания при малом расходе. Было предложено множество систем газового распыливания в промышленных газотурбинных установках и топках [94 — 971. В этих конструкциях высокоскоростной газовый поток сталкивается с потоком жидкости, имеющим относительно низкую скорость, либо внутри форсунки (рис.
10.27), либо вне ее (рис. 10.28). В форсунке с внутренним соприкосновением потоков угол конуса распыла минимален при максимальном расходе воздуха н увеличивается с уменьшением его расхода. Такой тип форсунки подходит для распыливания очень вязких топлив, причем хорошее распыливание обеспечивается при любом малом расходе топлива. Форсунка с внешним соприкосновением потоков может быть сконструирована таким образом, чтобы угол топливного факела сохранялся постоянным при всех расходах топлива. Достоинством такой форсунки является отсутствие опасности попадания топлива в воздушный канал. Однако эффективность использования воздуха в данном случае ниже, а энергетические затраты выше, чем при внутреннем соприкосновении потоков. В работе 1981 описана конструкция форсунки с подачей вспомогательного воздуха, в которой топливо в виде тонкой пленки вводится радиально внутрь закрученного высокоскоростного потока воздуха.
В табл. 10.5 приведены формулы, обобщающие экспериментальные данные о размерах капель для форсунок различных типов, в которых используется вспомогательный воздух. Глава ВО Главным недостатком рассматриваемых форсунок является необходимость подвода воздуха высокого давления, что фактически исключает возможность их использования в авиационных газотурбинных двигателях. Наилучшей областью их применения являются крупные промышленные установки, особенно если воздух высокого давления требуется лишь в периоды запуска установки и выхода ее на рабочий режим.
ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ФОРСУНКИ Принцип действия пневматических форсунок и форсунок, использующих вспомогательный воздух, один и тот же. В них кинетическая энергия потока воздуха тратится на дробление струи нли пелены жидкости с образованием жидких нитей, а затем капель. Различаются они в основном величинами расхода и скорости потока воздуха.
В форсунки с вспомогательным воздухом он падается от компрессора или баллона высокого давления, поэтому очень важно свести расходы воздуха к минимуму. Если отсутствуют особые ограничения по величине давления, то скорость воздуха можно сильно увеличить. Таким образом, форсунки с подводом вспомогательного воздуха используют малое количество воздуха при высокой скорости его течения. В пневматических форсунках скорость воздушного потока ограничена величиной 120 м/с, соответствующей перепаду дквлений на стенке жаровой трубы, поэтому требуется большее количество воздуха для получения высокого качества распыливания. Этот воздух после его использования для распыливания топлива участвует в процессе горения в первичной зоне камеры сгорания.
Пневматические форсунки обладают рядом преимушеств по сравнению с механическими форсунками, особенно в газотурбинных двигателях с высокой степенью повышения давления воздуха. Они не требуют высокого давления подачи топлива и хорошо распыливают его. Кроме того, вследствие эффективного перемешивания воздуха с топливом при пневматическом распыливании содержание сажи в продуктах сгорания и уровень излучения минимальны,что благоприятно дляохлаждения стенок жаровой трубы и в отношении дымности выхлопных газов. Далее, пневматические форсунки обеспечивают одинаковое расцределение топлива по камере при любом его расходе, и поэтому распределение температуры газов перед турбиной на режимах с высоким давлением в двигателе можно точно предсказывать, определяя поля температур газа при низких давлениях, что, очевидно, имеет большое практическое значение.
Эти достоинства пневматических форсунок в последние годы привели к их широкому использованию в промышленных и авиационных газотурбинных двигателях. Большинство применяемых форсунок относится к типу устройств с предваритель- Подача топлива ным созданием пленки топлива, которая затем подвергается воздействию высокоскоростного воздушного потока. В других конструкциях топливо подается в воздушный поток в виде одной или нескольких струй. Во всех случаях важно наиболее эффективно использовать воздух для распыливания. В последнее время проведено большое число экспериментальных исследований пневматических форсунок различных типов. Их обзор и основные выводы будут изложены в последующих разделах этой главы в форме, полезной инженерам, занятым разработкой и испытаниями форсунок камер сгорании.
Экспериментальные исследования Первое важное исследование пневматического распыливания было выполнено Нукиямой н Танасавой [99] на форсунке с простой струей жидкости (рис. 10.29). Размеры капель определялись методом их улавливания на стеклянные пластины, покрытые маслом. Исследовались жидкости с коэффициентом вязкости от 0,001 до 0,050 кг/(м с), коэффициентом поверхностного натяжения от 0,019 до 0,073 кг/сз и плотностью от 700 до 1200 кг/мз.
Результаты исследований описываются эмпири- 1 ческой формулой зозддк дозддк +53~ — "*) ( —,*) (10.41) ') Отметим, что члены суммы в формуле (10.41) отражают вклад относительной скорости зб !/~ ~~$, Уота н инакости жидкости 1ти п~~ ~ц~ соответственно. Результаты ра- з ПП~~~ бот [30 — 37) подтвердили спра- ~~!! ~ «т ведливость такой формы зави- Рлс. 10.29. Форсунка Нуккяиы и Тасимости гззт от определяющих параметров. Хотя формула (10.41) не является строгой с точки зрения теории размерностей, нз нее следует ряд полезных выводов.
Например, средний размер капель маловязких жидкостей обратно пропорционален относительной скорости потоков воздуха и жидкости, а при больших отношениях расходов воздуха и жидкости влияние вязкости жидкости становится несущественным. Исходя из анализа размерностей, следовало бы в формулу (10.41) ввести величину размерности длины в степени 0,5. 432 Гпава 10 Кажется очевидным выбор в качестве этой длины диаметра сопла для потока жидкости или воздуха.
Однако из испытаний, проведенных с соплами различных форм и размеров, Нукияма и Тана- сава сделали вывод, что эти параметры не являются определяю- шими. Следовательно, отсутствие характерного размера форсунки — существенная черта формулы (10.41). Серьезным ограничением формулы (10.41) является то, что она не учитывает влияние плотности воздуха, так как все эксперименты выполнялись в нормальных условиях. Это обстоятельство не позволяет применять формулу (10.41) к камерам сгорания, работающим в широком диапазоне изменения давления и температуры воздуха.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
