Химмотология ракетных и реактивных топлив (1043407), страница 35

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 35)

Устойчивость горения. Под устойчивостью горения реактив­ных топлив понимают способность сохранять фронт пламени при отклонении от нормального режима горения топлив в случае обеднения или обогащения смеси. Устойчивость горе­ния характеризуют предельными значениями состава смеси по коэффициенту избытка воздуха, при которых сохраняется фронт пламени. Чем шире пределы устойчивого горения топли­ва, тем большие возможности имеет двигатель в маневре по числу оборотов, легче обеспечивается его запуск и надежнее работа на различных режимах. Пределы устойчивого горения определяют на лабораторных горелках диффузионного типа [169] либо на установках с модельными камерами сгорания.

Влияние углеводородного состава топлива на пределы устойчивости горения проявляется под воздействием химиче­ских и физических факторов. Роль химических факторов опре­

деляется долей топлива, сгорающего вследствие самовоспламе­нения: чем она больше, тем выше скорость сгорания смеси в двигателем В работе [130] приведены результаты исследования влияния химического состава топлива для близких по физиче­ским свойствам испытуемых образцов на пределы устойчивого горения в условиях, имитирующих прямоточные воздушно-реактивные двигагели. Показано, что при низких температурах топлива наибольшими пределами устойчивого горения харак­теризуются алканы, наименьшими — ароматические углеводо­роды. С повышением температуры расширяются пределы устойчивого горения ароматических углеводородов, а алканов и цикланов сужаются либо остаются без изменений.

Роль физических факторов сводится к влиянию свойств топлива на смесеобразование. Так, повышение испаряемости топлива, характеризуемое снижением температуры начала ки-ления и увеличением содержания низкокипящих фракций, при­водит к расширению пределов устойчивого горения, в основ­ном в сторону более бедных смесей. Повышение температуры конца кипения топлива и увеличение содержания высококипя­щих фракций, наоборот, сужает эти пределы, что осложняет запуск двигателей и может сделать его невозможным. Сниже­ние вязкости и поверхностного натяжения топлива улучшает распыливание и качество смесеобразования, и это также рас­ширяет пределы устойчивого горения.

Пределы устойчивого горения зависят и от условий сгора­ния топлива—давления и температуры поступающего воздуха.

Суммарное влияние различных показателей качества топли­ва на пределы устойчивого горения, выраженное предельными значениями коэффициента избытка воздуха, установленное при испытании на установке с модельной камерой сгорания, показано на рис. 9.11 [170]. Как видно, с повышением средней температуры выкипания прямогонного топлива пределы устой­чивого горения сужаются. В большей степени это изменение выражается при работе двигателя на бедных смесях.

Таким образом, надежную работу авиационных двигателей на различных режимах за счет расширения пределов устой­чивого горения топлива можно обеспечить совершенствованием конструкции двигателей, направленным на улучшение смесеоб­разования, снижение скоростей потока и обеспечение предпла-менной подготовки топлива, способствующей повышению доли топлива, сгорающего вследствие самовоспламенения, а также изменением химического состава топлива ъ сторону увеличения доли алканов и снижения температур его выкипания.

Излучательная способность пламени. В камерах сгорания газотурбинных двигателей в процессе горения топлива лучи­стая энергия от пламени переносится к стенкам. Перенос на­блюдается в основном в инфракрасном диапазоне волн длиной 1—2 мкм и не ослабляется заградительным слоем воздуха, изолирующим стенки от горячих газов. Главный источник лу-

Рис. 9.11. Зависимость предельных значений коэффициента избытка воз­духа при устойчивом горении топ-лив от давления воздуха на входе в камеру сгорания:

/—бензин Б-70, 2 — топливо Т-1; 3 — ди­зельное топливо

чистой энергии — мельчайшие частицы твердого углерода, ко­торые всегда образуются при сжигании жидких углеводород­ных топлив. Интенсивность све­чения пламени при горении топлив в ГТД характеризует­ся люминометричееким числом, определяемым с помощью лю-минометра. Некоторые иссле­дователи считают, что вследствие гиперболического характера зависимости люминометрического числа (ЛЧ) от концентрации сажистых частиц лучше пользоваться другим показателем — ин­дексом черноты пламени (ИЧП), который определяют с по­мощью тех же люминометров. Он более коррелируется с пове­дением топлива в двигателе. Указанные показатели связаны приближенной зависимостью: ИЧП~10000/(ЛЧ+100) [171]. Но для характеристики реактивных топлив по излучатёльной способности пламени наибольшее распространение получило люминометрическое число.

Излучательную способность пламени в ГТД определяют с помощью терморадиометров, оценивая ее по световому числу. Это—отношение измеренной терморадиометром плотности лу­чистой энергии факела при горении соответственно испытуемого и эталонного топлив, выраженное в процентах.

Связь между излучательными свойствами пламени (Ф), температурой стенки жаровой трубы (tж.тр) и люминометриче­еким числом (ЛЧ) топлива для двигателей разной конструкции можно проследить по данным, представленным в табл. 9.7, и по влиянию давления в камере сгорания двигателя J-79 на излучательную способность пламени для топлива с люминомет-

Таблица 9.7. Влияние топлива на излучательную способность пламени в различных ГТД [160, 172] Давление в камере сгорания 0,5 МПа

Как следует из этих данных, при горении топлива тепло-напряженность стенки жаровой трубы значительно зависит от конструкции двигателя и давления в камере сгорания. При по­стоянстве последних использование топлива с меньшим ЛЧ приводит к повышению плотности лучистой энергии факела и дополнительному нагреву стенок камеры сгорания. Это может быть причиной перегрева стенок, уменьшения усталостной прочности металла и появления в нем трещин, коробления и

прогаров.

Люминометрическое число зависит от углеводородного со­става топлива. В общем виде это выражается повышением ЛЧ реактивного топлива при увеличении содержания в нем водо­рода, снижении содержания ароматических углеводородов (особенно би- и полициклических), уменьшении плотности и снижении температуры выкипания. Различными исследовате­лями установлено несколько зависимостей люминометрическо­го числа от отдельных показателей, в той или иной мере свя­занных с углеводородным составом топлива. Так, эмпириче­ская формула [173] отражает зависимость ЛЧ от содержания в топливе водорода Сн (в %):

ЛЧ = 16,50Сн—174,5. (9.8)

Предложены также эмпирические уравнения, показывающие зависимость ЛЧ от плотности, фракционного состава, содержа­ния ароматических углеводородов и других показателей, свя­занных с углеводородным составом топлива. Эти зависимости имеют практическую ценность при сравнении образцов топлив, близких по своему углеводородному составу. В то же время следует учитывать, что, например, зависимость между ЛЧ и содержанием водорода не учитывает структуру молекулы угле­водорода, от которой в значительной степени зависит этот показатель. Так, ЛЧ нормальных алканов значительно отли­чаются от ЛЧ их изомеров, содержащих одинаковое число атомов углерода и водорода. Например, ЛЧ н-гексана и 2,3-ди-метилбутана составляют соответственно 171 и 127 [174]. В других предложенных эмпирических зависимостях углеводов родный состав также выражен косвенно через фракционный состав в сочетании с содержанием в топливе ароматических углеводородов и, как правило, каким-либо другим показателем. Эти эмпирические зависимости в основном справедливы для получаемых традиционными технологическими процессами нефтяных реактивных топлив, характеризующихся узкими пре­делами изменения углеводородного состава. В случае значительного отклонения химического состава топлива от тради­ционного, например при получении синтетических топлив из ненефтяного сырья или использовании присадок, влияющих на процесс горения, требуется экспериментальное определение люминометрического числа.

Исходя из того, что главным источником свечения пламени являются мельчайшие частицы сажи, можно заключить о на­личии тесной связи между люминометрическим числом и дымностью продуктов сгорания. Такая связь действительно суще­ствует. Однако нет абсолютной аналогии в изменении указан­ных показателей с изменением состава топлива [160]. Напри­мер; со снижением температур выкипания топлива интенсив­ность свечения пламени на установке УНТ-1 снижается меньше, чем дымление:

Эта разница в поведении становится еще более заметна, если в топливо введена антидымная присадка Любризол-565:

Изложенное свидетельствует о самостоятельном значении такой характеристики реактивных топлив, как излучательная способность пламени и трудности ее однозначного выражения через другие показатели.

Склонность к нагарообразованию. В принципе возможно со­здание камеры сгорания газотурбинного двигателя, обеспечи­вающей сгорание без образования нагаров и дыма топлив в широком диапазоне изменений их. Однако такие камеры мало­пригодны для авиационного двигателя ввиду того, что они имеют весьма узкие пределы устойчивого горения. Расширить этот диапазон можно только локальным либо общим обогаще­нием горючей смеси, а при любом обогащении смеси в двигате­ле интенсифицируются процессы образования нагара. Поэтому, как правило, при сгорании топлив в серийных авиационных ГТД образуется нагар. Он обычно откладывается локально, неравномерно на стенках камеры сгорания и на форсунках. Обладая плохой теплопроводностью, отложения нагара при­

водят к неравномерному охлаждению и нагреву отдельных. участков стенки камеры сгорания, вызывают большие темпера­турные напряжения и как результат приводят к деформации и-возможным разрушениям стенок камеры. При большом коли­честве нагара у отверстий для поступления воздуха в жаровую трубу может нарушиться работа двигателя вследствие ухудше­ния процесса смесеобразования и охлаждения стенок камеры-

Нарушение рабочего процесса, коробление и даже прогар камер сгорания могут произойти из-за отложений нагара на форсунках и изменения вследствие этого направления движе­ния и формы факела. Кроме того, при повышенном нагарооб-разовании обычно происходит засорение турбинных сопел и эрозионный износ лопаток турбины.

Качество (состав, структура) и масса нагара, образующего­ся в двигателе, зависят от химического состава топлива и от условий его сгорания, определяемых конструкцией двигателя, в том числе качеством распыливания топлива, составом рабо­чей смеси, давлением в камере сгорания,' температурой ее стенок. Для оценки склонности топлив к нагарообразованию в ГТД используют различные методы. В основном они сводятся к определению состава топлива, например содержания С и Н, параметров пламени в различных диффузионных горелка, полноты сгорания, массы образующегося нагара, дыма и не­которых других параметров на модельных лабораторных уста­новках и установках с натурными камерами сгорания либо на полноразмерных двигателях в стендовых условиях.

Влияние состава топлива на его нагарообразующую. спо­собность оценить сложно. Ввиду того что одним показателем углеводородный состав такой сложной смеси, какой является реактивное топливо, выразить не удается, влияние этого соста­ва на нагарообразование в ГТД более объективно отражаются зависимостями массы образующегося нагара одновременно от нескольких показателей. Исследования [14, 175], проведенные на индивидуальных углеводородах, показали, что их полнота сгорания и нагарообразующая способность увеличиваются в следующем ряду: алканы > моноциклические цикланы > цик-лоолефины > бициклические цикланы > моноциклические аро­матические углеводороды с боковыми цепями > полицикличе­ские ароматические углеводороды.

Однако, используя эти зависимости, следует учитывать, что групповой углеводородный состав не отражает размеров моле­кул углеводородов, а следовательно, и их физических свойств, которые в значительной степени влияют на процесс горения и нагарообразования. В результате отдельные углеводороды из указанных групп в этом ряду могут поменяться местами.

Характеристики

Список файлов книги