Теория и расчёт воздушно-реактивных двигателей под ред. Шляхтенко С.М. (1014193), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Чт. ф = — (1 + Чт. см) (1ф всм)/(НиЧф 1ф) Формула (5.4) справедлива не только для ТРДДФ, но и для ТРДФ. Необходимо только при расчете (;м принять и = — 0 (формула 5.3). Подобную формулу легко получить и для основной камеры, если учесть, что в этом случае Ч,,м =- 0; энтальпиям (ф и !,*м соответствуют энтальпии („' = 1 (Т,", 293, Ч,) и 1„"; коэффициенту полноты сгорания Чф — коэффициент т1,: Чт = (1г ' ок)/(НиЧг ог) (5.5) Расчет проводится последовательно приближениями, поскольку величины (ф и /," зависят соответственно от Ч„* ф и Ч,. Изложенный метод теплового расчета камер сгорания применяется в математических моделях двигателей 2-го уровня.
В моделях 1-го уровня можно использовать более простой метод. В основе его лежит то, что энтальпня продуктов сгорания представляется в виде явной функции от Ч„причем отсчет ведется от стандартной температуры Т„. Например: чтоииТг + сиТг г)торвТот+ срТст 1+ Чт 1+ Чт Здесь с Тг и С Т„вЂ” средние энтальпии воздуха; с „Т„"и ср„҄— величины, имеющие размерности энтальпии и учитывающие наличие в продуктах сгорания СО, и Н,О. Величины срТ и ср„Т в зависимости от температуры рассчитаны в работе (111 и даны в виде таблицы (см.
Приложение). Аналогичным образом выражаются энтальпии (ф и 1;м. Подставив эти зависимости в уравнение теплового баланса и пренебрегая, как и выше, начальным теплосодержанием топлива, получим для форсажной 127 и основной камер сгорания следующие формулы для вычисления относительных значений расхода топлива: с Т„*— срТ„" чт— егУУи сллТг + срлТст ( с Т ф и и Т ) + с Т ф с р Т с Чфни с иТ +с лТст (5.7) Подготовка горючей смеси в камерах сгорания Для эффективного протекания процесса горения необходимо обеспечить в камере сгорания хорошую подготовку горючей смеси, т.
е. распылнвание, испарение и перемешивание топлива с определенным количеством воздуха. .Топливо из форсунок вытекает в виде струй или пленок. Распыливание обеспечивается за счет взаимодействия их с газом при взаимном относительном движении. Образуется факел распыленного топлива, состоящий из капель различного размера. Для приближенной оценки мелкости распыливания используют осредненные различными методами размеры капель. Например, часто используется медианный диаметр капель — такое значение диаметра, для которого суммарная масса капель, имеющих диаметр меньше или равный указанному, составляет половину от суммарной массы всех капель.
Распыл топлива считается удовлетворительным, если медианный диаметр капель не превышает 50 ... 60 мкм. При классификации форсунок чаще всего исходят из способа организации взаимного перемещения жидкости и газообразной среды; механические форсунки — жидкость с большой скоростью вытекает в газовую среду; воздушные (пневматическне) — жидкость с малой скоростью подается в движущийся поток газа.
Существуют также воздушно-механические форсунки, в которых сочетаются два способа распыливания. Наиболее широкое распространение,в камерах сгорания ГТД получили центробежные форсунки (рис. 5.3). Топливо поступает в камеру закручивания (1) форсунки через тангенциальные каналы (2), благодаря чему приобретает интенсивное вращательное движение, и затем вытекает через сопло (3). Вследствие закрутки в центре сопла располагается газовый вихрь, а течение топлива происходит через кольцевое сечение, После выхода из сопла топливо образует пелену в виде конуса с углом при вершине у (корневой угол топливного факела).
Толщина пелены по мере удаления от сопла уменьшается, затем пелена распадается на капли разных размеров. В ряде случаев в камерах сгорания ВРД принимаются и струйные форсункн, представляющие собой круглое отверстие в трубке, 128 Рнс. 5.3. Схема Нентрооежной форсункн: ! — камера закручивания; т — отверстия для подвода топлива; у — сопло через которое вытекает струя топлива, дробящаяся затем на капли вследствие взаимодействия с окружающей газовой средой. Расход топлива, подаваемого в -камеры сгорания ВРД, весьма существенно изменяется (в 10 ...
20 раз) при изменении высоты и скорости полета, а также при изменении режима работы двигателя, Диапазон изменения давлений подачи топлива Лр, должен быть при этом еще больше, так как б, — г' Лр,. Максимальные давления подачи органичены величиной 5 ... 6 мПа, поэтому при минимальных подачах величины перепада становятся весьма малыми (-0,1 МПа), что приводит к значительному ухудшению распыливаиия. Чтобы избежать этого, применяются двухканальные форсунки или несколько коллекторов для подачи топлива.
При низких расходах один из каналов форсунки или часть коллекторов отключается. Для эффективного протекания процесса горения (например, для устранения дымления основных камер сгорания) распыленное топливо должно быть хорошо перемешано с воздухом. Поэтому широкое использование находят форсунки с аэрацией топливного факела, а также фронтовые устройства, которые в сочетании с форсунками способствуют улучшению смесеобразования. Во всех этих смесеобразующих устройствах энергия воздушного потока путем его закрутки и турбулизации используется для улучшения распыливания и перемешивания топлива с воздухом.
Особенности протекания процесса горения в различных условиях Горение является весьма сложным физико-химическим процессом. В зависимости от условий его протекание происходит по-разному. В камерах сгорания ВРД сгорание топлива осуществляется в основном в газовой фазе (гомогенная смесь), так как предварительно происходит его распыливание н испарение. Горение газов подразделяется на кинетическое горение, нли горение однородных смесей и диффузионное горение. При кинетическом горении горючее и окислитель предварительно перемешиваются, образуя однородную горючую смесь, а затем поступают в зону горения (в зону реакции). Закономерности сгорания при этом в большой степени определяются кинетикой химических реакций.
При диффузионном горении горючее и окислитель по- 5 В. М. дкимов !29 и г а ЛрадрятагХХ ф~ггягаяяя А Рнс. 5.4. Положение фронта пламени в высокоскоростном потоке: Х вЂ” нетачннк иакмнганиа; — — — франт пламени Рнс. Ь.Ь. Турбулентное'горение одно- родной смеси за 1'-образным стабили- затором 130 дакггся к зоне горения раздельно, и процесс сгорания происходит по морс их взаимной диффузии (перемешивания). На практике кинетический и диффузионный механизмы весьма часто тесно переплетаются, и преобладание того или 'нного механизма определяется соотношением скоростей смешения и химической реакции.
Если скорость химической реакции намного превышает скорость смешения, то имеет место диффузионный механизм горения, если наоборот — то кинетический. Рассмотрим основные виды горения, которые имеют фундаментальное значение для понимания рабочего процесса в камерах сгорания. Ламинарное распространение фронта пламени в однородной смеси. Если в какойлибо точке подогреть до высокой температуры неподвижную горючую смесь с помощью постороннего источника тепла (например, электрической искры), то здесь начнется интенсивная химическая реакция (горение), и будет выделяться большое количество тепла. За счет молекулярной теплопроводности и диффузии тепло будет подводиться к близлежащим слоям горючей смеси и в них также начнется реакция горения. Таким образом, в горючей смеси будет аспространяться «волна» химической реакции, которая носит название ламинарного фронта пламени.
Перед фронтом пламени находится исходная горючая смесь с температурой Т„ за фронтом пламени — продукты сгорания с температурой Т„. Скорость распространения фронта пламени относительно исходной смеси в направлении нормали к фронту называется нормальной скоростью горения ин, ширина ламинарного фронта пламени мала би - 1 мм.
При течении смеси с большой скоростью (с > ин) ф онт пламени будет сноситься вниз по потоку и для его «удержания» необходим стационарный источник подж г ро п жигания. За таким источником устанавливается фронт пламени, расположенный под углом к направлению набегающего потока. Угол наклона р (рис. 5.4) определяется законом Михельсона (законом косинуса): проекция скорости набегающего потока на нормаль к поверхности фронта пламени равна нормальной скорости горения: ин = = с соз р. Исследования показывают, что величины ин и б„являются физико-химическими константами и зависят от скорости химической реакции иг, коэффициентов теплопроводности 3. и теплоемкости ср, плотности р, исходной смеси: ми Ь ~Й~р!Ра1 бл у~гУ(онЮ. В соответствии с закономерностями кинетики химических реакций величина ги зависит от давления и чрезвычайно сильно от температуры.
Поэтому, чем больше температура горения, тем больше и,. В частности, величина Т„максимальна при се = 1, и поэтому для углеводородных топлив при сс = 1 наблюдаются самые большие значения и,. С ростом Те также происходит увеличение значений Т, и, следовательно, ин. Влияние давления на ин невелико. Теория ламинарного горения была разработана советскими учеными Я. В. Зельдовичем, Д. А. Франк-Каменецким и Н. Н. Семеновым. Расчетное определение характеристик ламинарного горения возможно практически во всех случаях, когда известен достаточно подробно механизм химической реакции.
Весьма важным свойством процесса горения является существование так называемых концентрационных пределов распространения пламени (с«тат и,а). При а < сесна или а ) се горение не происходит, даже если применять весьма мощные источники воспламенения. Это связано с потерями тепла из пламени (радиация, отвод тепла в стенки).
Для углеводородных горючих в смеси с воздухом при нормальных условиях а „= 1,7 ... 1,9; а м=03 ... 04. Следует отметить, что значения ин невелики — 0,8 ... 1,5 и/с, и такой вид горения в камерах сгорания не встречается. Однако закономерности ламинарного горения имеют фундаментальное значение для понимания других видов горения. Турбулентное распространение илам е н и. Распространение горения в турбулентном потоке горючей смеси существенным образом отличается от ламинариого. Это связано с тем, что в турбулентных потоках на осредненное поступательное перемещение газа наложено хаотическое движение разнообразных по размерам вихрей — турбулентных молей, которые наряду с молекулярной диффузией обеспечивают турбулентный перенос тепла и вещества.
Важнейшими характеристиками турбулентных потоков является пульсационная скорость с' (точнее, ее среднее квадратическое значение) и масштаб турбулентности 1„, характеризующий средний размер турбулентных молей. Фронт пламени в турбулентном потоке непрерывно деформируется под воздействием хаотического движения турбулентных ба 131 молей. Отдельные моли свежей смеси проникают за начальный фронт, и их сгорание продолжается на значительном расстоянии от фронта (рис. 5.5).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
