Прямоточные воздушно-реактивные двигатели Бондарюк М.М. Ильяшенко С.М. (1014191), страница 43
Текст из файла (страница 43)
Вследствие неравномерности концентраций в факеле распыла, сноса паров и испарения жидкой пленки, образуюшейся на стабилизаторе, смесь у кромок стабилизатора содержит значительно более высокий процент горючего, чем поток, протекающий в стороне от стабилизаторов; а.,(а„. Если источником зажигания служит электросвеча, расположенная позади стабилизатора, так что капли жидкости на нее не попадают, то достаточное для горения количество паров должно возникнуть в области смесеобразоваиия, так как в застабилизаторное пространство сносятся только пары и микрониые капли, Если источником зажигания служит форкамера или дежурное пламя, то испарение капель мо.
жет достигать требуемой величины в зажигающем факеле, откуда испарение и горение постепенно распространяется на весь поток. Иногда процесс роста области горения занимает несколько секунд. Испарение в зоне горения определяется скоростью теплопередачи, теплотой испарения горючего и мелкостью распыла. От упругости паров горючего испарение в зоне горения практически не зависит. В начале области горения поля скоростей, концентраций и температур бывают резко неоднородными. Выравнивание полей происходит лишь на достаточно большом расстоянии от стабилизаторов (см.
фиг. 162): чем больше степень турбулентности, тем скорее происходит выравнивание полей. Температуры, давления и скорости, которые входят в газодинамические уравнения, выведенные в 5 8 этой главы, являются лишь усредненными по сечению величинами. Таким образом, можно говорить о средних скоростях, средних давлениях и средних ускорениях потока в камере. Дробление, испарение и сгорание капель, завершающиеся перемешиванием продуктов сгорания с воздухом и выравниванием полей температур и скоростей, должно произойти всего за несколько миллисекунд. В камерах недостаточной длины эти процессы не успевают завершиться.
Непсчнота сгорания и неравномерность полей перед входом в сопло снижают тяговые характеристики камеры сгорания. Если в,=100 м(сек и степень турбулентности потока в камере сгорания а=0,1, то гя„„„, =егвз-0,1 100=10 мосек, т. е. пульсационная скорость, которой определяется скорость турбулентного распространения пламени, будет в десятки раз больше нормальной скорости, составляюшей для углеводородов около 0,4 м(сек. Таким образом, сгорание топливовоздушной смеси и равномерность полей концентраций, температур и скоростей определяются интенсивностью турбулентности потока в камере, мелкостью распыла и относительным расположением форсунок и стабилизаторов, Увеличивая степень турбулентности, можно существенно сократить длину области горения, По мере выгорания смеси и роста средней скорости потока давле- 270 ние вдоль камеры уменьшается.
По падению давления вдоль камеры можно приближенно судить о выгорании смеси: горение завершается там, где давление практически перестает понижаться (см. фиг. 162). й НЬ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ВЕРТОЛЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Для приведения во вращение геликоптерных винтов иногда применяются дозвуковые прямоточные двигатели. Вертолетные ПВРД располагаются на концах лопастей, окружная скорость которых лежит в пределах от 200 до 300 лг/сек (фиг. 164). Двигатель, расположенный на конце вращающейся лопасти, испытывает очень большое центростремительное ускорение: .т= (8.
42) Здесь и — окружная скорость; гС вЂ” радиус вращения, т. е. расстояние от оси ротора до оси двигателя. Фнг. 1б4. Камера сгорания вертолетного двигателя. а — иид спереди, б-иид саиди. При )4=5 м и и=250 м/сек, 1= — =12 500 м(сека=1250 д. 250т 5 Громадные центростремительные ускорения, более чем в тысячу раз превосходящие ускорение силы тяжести, оказывают существенное влияние на работу камеры сгорания вертолетного ПВРД. Камеры вертолетного ПВРД удобно рассматривать в системе координат, связанной с вращающимся ротором (фиг.
165). С точки зрения наблюдателя, движущегося вместе с двигателем, на каждый элемент массы йп действует центробежная сила г1): бег е ° сГМ тмт 1) и (8. 43) А Ф~ Здесь Т вЂ” плотность в кг!ма; ~Т)г — элемент объема. Центробежные силы действуют на эчементы конструкции двигателя, создавая в них упругие напряжения; на поток газов, протекающих по двигателю, и на капли, уносимые потоком.
Центробежные 271 силы стремятся оторвать двигатель от ротора. Центробежная сила, действующая на каждый грамм массы конструкции, превосходит 1 кз силы. Узел крепления двигателя, весящего 5 кг, должен выдерживать силу около 6 т, Центробежные силы стремятся удалить поток от оси двигателей: в потоке возникают градиенты давлений и плотностей (фиг. 166): нгабр — — — — — —— кр Ф' 4У тиз У (8. 44) ох знх й р' йЯ й При у=1250а ягадр=0,125 1250=150 кг/мз л=0015 ат/м.
Градиент давления можно считать постоянным по всему сечению камеры, так как радиус вращения гс,велик по сравнению с диаметром камеры. Фиг. 1бб. К расчету градиенте дявления в поле центробежных сил, Фиг. 1бб Система отсчета, связанная с вращающимся вертолетным двигвтелем.
Разность давлений газа у внешней и внутренней стенок двигателя (8. 45) где д„,„— диаметр камеры сгорания. При Н„,н=0,2 м и цгабр=0,015 ат/м ЬР=д„н8гас1Р=0,2 0,015=0,03 ат=З кг/из. Таким образом, разностью давления у стенок вертолетного двигателя и соответствующей разностью плотностей можно пренебречь. С точки зрения наблюдателя, связанного с двигателем, на капли горючего, движущиеся внутри камеры, действуют центробежные силы, сообщающие каплям центробежное ускоренне. Под действием центробежных сил капли удаляются от оси вращения (см.
фиг. 166). 272 За время т11 капли удаляются от оси вращения на расстояние ~7х: (к= — 'у(/3)т. (8. 46) 2 Радиальная скорость капель за это время возрастает на величину йел: ЙО о = /тй. (8. 47) По мере роста радиальной скорости ии возрастает аэродинамическое сопротивление капель и ускорение капель уменьшается. Если время движения капель от форсунок до стабилизатора равно 3 мсек и ускорение /=12 500 м/сект, то смещение капель от оси вращения достигло бы 56 мм. Впрочем, при таких больших промежутках времени, радиальная скорость может возрасти на величину Ьге= =/31=12500 ° 0,003=37,5 м/сек, и ускорение капель нельзя будет считать постоянным; истинное смещение капель — меньше 56 мм.
Дифференциальные уравнения движения капель в поле центробежных сил удается проинтегрировать только в том случае, если принять, что аэродинамические силы пропорциональны первой степени скорости. Это справедливо при числе Кек" 1, т. е, для микронных капель, на долю которых в спектре распыла приходится очень малое количество горючего. По истечении некоторого времени радиальная скорость капель достигает такой величины, при которой аэродинамическая сила / становится равна центробежной силе /: кик твтнотн 7 киктк т я 3 2 ф— к "" =гк — = 4 2тт н 6о (8. 48) Отсюда тнотн 1 4 ' Тк дк и 1 Зо, т, 12 (8. 49) Если 7к=800 кг/м'; 7,=1,225 кг/м'1 с,=1,2, то — — — — =26,9 1 т тнотн — / 4 803 Фк — т' Нк и 1т 3 1 2 1 223 Р ' Вт 17 ~"" =26,91 — =0,12; те„„=30 м/сек. и Максимально возможное смешение равно произведению относительной скорости ге„ч на промежуток времени Ы: ьк =ив йв=и — — — 33, т' 4 тк ик н,вк отн ~~т зс т (8.
50) 18 316 273 С увеличением диаметра капель И„ их относительная скорость увеличивается. Прн д„=100 мк=10 ' м, /с=5 м и и=250 м/сек Время движения капель по камере сгорания имеет следующий порядок: а1= — =— г и1 игг и Здесь 1 — длина камеры сгорания; и — относительное расширение двигателя зг и=— ~н иг» (8. 51) (8. 52) Таким образом, аХгная итотнаг ~отн . / 4 1н ин г г и 1/ Заг тв гг (8. 53) 274 Максимально возможное относительное смещение капель при заданных †" и и зависит только от их диаметра и от радиуса 1в вращения.
Последняя формула пригодна для прикидочного расчета центро- бежного смещения капель в камерах вертолетных двигателей. Центробежные силы, действующие на холодный воздух и на про- дукты сгорания, неодинаковы, так как их плотности различны Дви- жение горячих и холодных газов в поле центробежных сил на основа- нии общего принципа относительности подобно движению в поле тяжести: горячие газы «всплывают» в направлении, противополож- ном действию сил, а взвешенные капли и холодные газы «тонут», т. е. движутся от центра вращения (см.
фиг. 166). Более плотные массы воздуха и взвешенные капли удаляются от оси вращения, ме- нее плотные продукты сгорания приближаются к оси вращения. Сила, заставляющая элемент объема горячего газа «ЛТ, имеющего плотность у„и окруженного холодным воздухом плотностью т„дви- гаться по направлению к оси вращения, подобно подъемной силе газа (в поле тяжести), равна 1„— тг иг (8.
54) Я Ускорение 1, с которым рассматриваемая масса газа «агп=у ~Л«' будет приближаться к осн вращения, равно (8. 55) гаги 'т 1гаа / и Если начальная скорость газов в камере тггг= — и относитель- ный подогрев й= †', то скорость к концу сгорания будет равна Т Т и Т, гг гггя г Т и Т„ Средняя скорость движения газов по камере Продолжительность пребывания газов в зоне горения Ы приблизительно равна д аа гг 25п Тх (8. 56) нгср и .Т + Т„ где 7 — длина зоны горения.
Изменение плотности горягцих газов тх Тг Тх — — 1= тгаз Тх Т, г тгаз Тх Смещение горячих газов к оси вращения за время горения на основании (8. 55 н 8. 56) приблизительно равно 1 ит Тг — Т 41! птТ~ йх = — г'(ос)т =— 2 211 Тх пт (Тг + Тх)Я Относительное смещение газов Ьх 2птТхГг Тг — Тх т Гг ТхЬТ Гг 1Р (Тг + Тх) Р 7ср Здесь  †диаме ротора 7.
+7. ср (8. 57) Последняя формула пригодна для прикидочного расчета смещения горящего факела в камере вертолетного двигателя. Для уменьшения относительного смешения сгорающей струи следует принимать меры к быстрому выравниванию температурного поля, с тем чтобы разность температур Ь Т между продуктами сгорания и окружающим их газом была наименьшей. При ЬТ=О, Ау=О. Приравняв Лх радиусу камеры г„.м, можно найти длину!.„х, на которой продукты сгорания сместятся от центра камеры до стенки.
Если Лх=г „, то из (8. 57) получим гарах Тср / Р г кам п 1гу гкамТха Т (8. 58) Смещение горячих продуктов сгорания необходимо учитывать прн конструировании камер вертолетнмх двигателей. ГаТ = Тг Тк = 2300 — 300 2000а. Тср " " 1300' К. 2 Гг Тср / Р 1300 1/ 10 = 3,4. гкам п 1аГ гкап Тха Т б 1' Оа1 300'2000 18* Пример. Найти относительную длину зоны горения, достаточную для того, чтобы горячие струи сместились от центра до стенки аертслетиой камеры, если ге ам 100 мм Р 10 м п 8' 7г 300 К и 7 2300 К й Ы. ХАРАКТЕРИСТИКИ КАМЕР СГОРАНИЯ Наибольшее значение имеют характеристики, изображающие зависимость коэффициента тепловыделения или полноты сгорания Р и коэффициента сопротивления камеры Г от избытка воздуха а при заданном давлении торможения набегающего потока и заданном относительном сечении выхода. Идеальной является такая камера, у которой во всем рабочем диапазоне составов смеси коэффициент тепловыделения Р~.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
