Теория и расчёт воздушно-реактивных двигателей под ред. Шляхтенко С.М. (1014193), страница 32
Текст из файла (страница 32)
Источником энергии в форсажной камере является колебание тепловыделения и скорости распространения пламени. Механизм же обратной связи может'быть весьма разнообразным. Он может основываться на смесеобразовании (колебанне расхода воздуха, колебание расхода топлива через форсунки, попадание топлива на стенки камеры), на газодинамических явлениях (срыв вихрей в диффузоре и во фронтовом устройстве), на закономерностях процесса горения (изменение величины и, с изменением давления, периодические срывы пламени).
Для борьбы с вибрационным горением применяются различные методы. Основными из них являются следующие: «облагораживание» аэродинамики течения газа в камере для уменьшения вихре- образования, эшелонирование стабилизаторов в осевом направлении (воздействие на фазу колебаний), постановка перфорированного антивибрационного экрана в районе фронтового устройства. «Склонность» камеры к возникновению вибрационного горения уменьшается при уменьшении средней скорости течения газа в камере и снижении степени его подогрева.
Охлаждение форсажных камер Для предотвращения чрезмерного нагрева корпуса в форсажной камере устанавливается теплозащитный экран. Он не является силовым элементом и поэтому может воспринимать 152 большие тепловые нагрузки. В форсажных камерах, так же как и в основных, применяется комбинированная система охлаждения. Часть газа из-за турбины (или воздуха из второго контура) поступает в канал между корпусом и теплозащитным экраном и обеспечивает конвективное охлаждение как экрана, так и корпуса.
Этот газ также используется для организации заградительного охлаждения экрана и створок реактивого сопла. Корпус форсажной камеры охлаждается снаружи воздухом, поступающим из воздухозаборника самолета. В связи с высокими значениями температуры газа в форсажных камерах большое внимание уделяется заградительному охлаждению.
Оно может быть организовано двумя способами: подачей газов тангенциально стенке через систему щелей (струйное охлаждение) или через большое количество мелких отверстий перпендикулярно основному потоку (перфорированное охлаждение). Лучистый поток тепла от газа в форсажной камере обусловлен излучением трехатомных газов (СО, и Н,О), образующихся при сгорании углеводородных топлив, и его величина относительно невелика. Температура газа вблизи экрана изменяется по длине в соответствии с кривой выгорания топлива.
Для ее уменьшения смесь вблизи экрана (между наружным стабилизатором и экраном) несколько обедняется за счет уменьшения подачи топлива, так что значения аз составляют здесь 1,4 ... 1,б. В начальной части форсажных камер применяются, как правило, щелевые экраны, в конце — перфорированные. З.З, ВРЕДНЫЕ ВЫДЕЛЕНИЯ КАМЕР СГОРАНИЯ И ПУТИ ИХ СНИЖЕНИЯ В отработавших газах авиационных двигателей содержатся вредные компоненты. Главными из них являются окись углерода (СО), различные углеводородные соединении и различные окислы азота, которые условно обозначаются СН и ХО„а также дым. Выход загрязняющего вещества 1 на каждом режиме работы двигатели оценивается индексом эмиссии Еул который представляет собой количество вредного вещества 1 в граммах, выделившегося при сгорании одного килограмма топлива.
СО и СН являются продуктами неполного сгорания топлива, поэтому их образование зависит, в основном, от тех же обстоятельств, что и полнота сгорания топлива. В частности, с уменьшением параметра форсирования основной камеры сгорания Кг происходит увеличение коэффициента полноты сгорания топлива и, следовательно, уменьшение выделений СО и СН. Этому же способствует обеспечение хорошего распыливания топлива и предварительного перемешивания его с воздухом; предотвращение попадания топлива на стенки камеры сгорания; рациональный под- 153 Т а б л н н а 5.1 вод воздуха в пределах первнч- нои зоны, обеспечивающеи сгорание топлива при локальных значениях се ж 1,2 ...
1,6. Наибольшее выделение СО и СН наблюдается на режиме малого газа, так как при этом значения Р„' и Т„'минимальны, а величина а максимальна. На основных же ежимах выхо СО и СН незна- заема, мии тяге и, % Режим 100 55 30 7 0,7 2,2 4 25 Взлет Набор высоты Заход на посадку Руление 154 Р д чителен. В форсажных камерах значения коэффициентов полноты сгорания топлива заметно ниже, чем в основных, поэтому продукты сгорания в выходном сечении сопла содержат значительное количество СО и СН. Однако, поскольку температуры газа при этом весьма высоки (1800 ...
2000' К), то в атмосфере за соплом происходит интенсивное выгорание этих компонентов, и результирующее загрязнение атмосферы не слишком велико. Закономерности образования окислов азота в камерах сгорания противоположны закономерностям образования СО и СН. Окисление азота происходит при достаточно высоких температурах (Т Г 2000 К). Интенсивность этого процесса очень сильно увеличивается при увеличении температуры.
Образование окислов азота возрастает также при увеличении времени пребывания газа в камере сгорания. Поэтому максимальный выход окислов азота наблюдается при взлетном режиме работы двигателя. Выход окислов азота в форсажных камерах сгорания мал, так как местные температуры горения здесь всегда ниже, чем в основных камерах сгорания из-за понижения температуры газа в турбине двигателя.
Содержание дыма (частиц углерода) в продуктах сгорании обусловлено сжиганием переобогащенной смеси (а - 1). Дымление может существенно возрасти, если в первичной зоне основной камеры будет происходить горение двухфазной смеси, содержащей плохо распыленное топливо. Поэтому основным направлением , борьбы с дымлением является обеспечение хорошей подготовки топливовоздушной смеси перед сгоранием Как правило, обеспечить допустимый уровень дымления (ниже границы видимости) удается за счет рационального конструирования фронтового устройства основной камеры. Несмотря на то, что вклад авиации в загрязнение атмосферы в среднем невелик (1 еУа), в районе аэропортов возможно значительное локальное загрязнение воздуха, представляющее опасность для здоровья человека.
Поэтому в настоящее время Международной организацией гражданской авиации (ИКАО) разработаны нормы на допустимое содержание загрязненных веществ в отработавших газах. Принципы нормирования состоят в следующем. Вводится стандартный цикл режимов работы двигателя при взлете и посадке (табл. 5.1). В качестве контрольного параметра эмиссии используется отношение массы Е1; вещества ! (в г), выделяющейся за стандартный цикл, к взлетной тяге двигателя в килоньютонах Р!!Р„, Зная индекс эмиссии вещества Еа'1 на каждом режиме работы двигателя, можно вычислить массу эмиссии за цикл: Е1! 1 (Еи !)! ыт4!1 (5.14) Здесь 1тт! — расход топлива в кг/с и !! — время работы в с на каждом из ! режимов стандартного цикла.
Если выразить значение б„через удельный расход топлива и тягу 6„=- Суд тРг(3600 и разделить обе части равенства (5.14) на Ри„то получим выражение контролируемого параметра эмиссии в следующем виде: Ву!Рии =-2 78 10 ' 1 (Е3!)! Суд гР4(! ! Таким образом, величина Р!7Р зависит не только от совершенства камеры сгорания, характеризуемого величинами (Еуу)ь но и от значений С;, которые характеризуют экономичность двигателя в целом и зависят от параметров его термодинамического цикла и совершенства всех узлов. В соответствии с нормами выброс газообразных веществ турбореактивными и турбовентиляторными двигателями взлетной тягой свыше 26,7 кН, предназначенными для дозвуковых скоростей полета, не должен превышать следующих уровней: углеводороды )Зс.4!Р„~ 19,6; окись углерода О, о!Р„~ 118; окислы азота Е4но 1'Р к. 40 + 244 Следует отметить, что обеспечение требований по выбросу СО и СН возможно только при весьма высоких значениях коэффициента полноты сгорания топлива, превышающих 0,99 на всех режимах работы двигателя, включая малый газ.
Чтобы требования по снижению вредных выделений не ограничивали повышение экономичности двигателей, нормами предусматривается увеличение контрольного параметра для окислов азота при увеличении степени повышения давления в компрессоре. Содержание дыма в выхлопных газах определяется по методу фильтрации: через белый бумажный фильтр пропускается определенная масса выхлопных газов (16,2 кгlма), затем определяется так называемое число дымности ЯУ по формуле: ЗУ =- 100 еУа (1 — )7вЯтт).
Здесь Ял и !с„,— абсолютныеотражательпыеспособностн загрязненного и чистого фильтров. Нормами устанавливается максимально допустимое значение ЯУ в зависимости от взлетной тяги двигателя: ЯА! = — 8,6 (Р„)-е рте, Основные трудности при создании камер сгорания с малым выбросом вредных веществ связаны с тем обстоятельством, что для снижения выхода СО, СН и ХО, необходимо проведение взаимно 155 гй л В й 6. ВЫХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА ВРД Рис. 5.2!.
Лвухъярусвая (а) и хвухаониая (б) камеры сгорания; ! — аоиа малого газа; 2 — ссиаяиая аоиа гореиия противоположных мероприятий. Поэтому рациональная конструкция камеры сгорания должна представлять собой некоторый «компромисс» между требованиями, вытекающими из задачи уменьшения эмиссии этих двух групп загрязняющих компонентов. Проведенные исследования показали, что, по-видимому, уровень вредных выбросов, регламентируемый рассмотренными выше нормами, может быть обеспечен за счет совершенствования рабочего процесса первичной зоны н рационального выбора объема жаровой трубы камеры сгорания.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
