Кравченко И. В. Христофоров И. Л. Силовые установки летательных аппаратов (554342), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Все эти характеристики определяются экспериментально. На рис. 6.6 показана типичная характеристика изменения коэффициента полноты сгорания от суммарного коэффициента избытка воздуха ~„= Да.,) при двух значениях температуры воздуха на входе в камеру сгорания. Как видно из графика, максимальное значение ~, достигается при определенном значении и . Обеднение или обогащение смеси по сравнению с этим значением а„~ приводит к снижению ~„. Снижение а„~ сопровождается переобогащением смеси в первичной зоне топливом, поэтому из-за недостатка кислорода оно сгорает не полностью, часть топлива выносится в зону смешения, где горение прекращается вследствие снижения температуры.
При значительном переобогащении смеси топливом наступает снижение ее температуры газов в зоне обратных токов, горение прекращается. Повышение температуры воздуха на входе в камеру сгорания Т оказывает положительное влияние на полноту сгорания, что объясняется повышением скорости химических реакций горения с ростом температуры. Изменением соотношения расхода между зонами горения и смешения можно изменять оптимальное соотношение а '. Поэтому при расчетах двигателя значения -т~„на рабочих режимах можно принимать постоянными и равными т) = 0,99. 3 4 5 б 7 3 Рис. 6.6. Зависимость коэффициента полноты сгорания от состава смеси Срывными характеристикаши камер сгорания называют зависимости максимальных а „„или минимальных о~, ' .
знас п1ш чений коэФфициента избытка воздуха, при которых прекращается горение (происходит срыв пламени), от величины скорости воздуха на входе в камеру сгорания с„. Различают характеристики по "бедному" а„„=Д~ск) и по "богатому*' а „„.„= Я~с ) срыву. Типичный вид срывных характеристик камеры сгорания представлен на рис. 6.7. На малых высотах полета граница богатого срыва соответствует обычно таким а при которых температура газа перед турбиной имеет недопустимо высокие значения, а граница бедного срыва соответствует икс тах 1 50...60. Но при увеа а „,„,„ личении высоты полета из-за одновременного падения давления и температуры на входе в камеру сгорания пределы усрабочдя тойчивого горения существенно снижаются, особенно в области бедных смесей.
а кс пап Расчет камеры сгорания на стадии проектирования двигателя сводится в основном к определению расхода топлива в камере сгорания на раз- Ск Рис. 6.7. Срывные характеристики основной камеры сгорания пичных режимах работы двигателя и коэффициента избытка воздуха в камере, оценке уровня гидравлических потерь в камере сгорания, определению на основании эмпирических зависимостей габаритных размеров жаровой трубы и диффузора камеры сгорания. Для определения расхода топлива в камере сгорания (а также коэффициента избытка воздуха) при заданном расходе воздуха и его термодинамических параметрах (температуре, давлении) используется уравнение баланса тепла в камере. Форсажная камера сгорания Форсажная камера (рис.
6.8) располагается перед реактивным соплом ГТД, применяется для возможно большего увеличения тяги двигателя. Составы смеси в таких камерах близки к стехиометрическим: с, = = 1,1...1,3. Пол- (~Т+ ~Тф) ~а ВОСПЛАМВМИТВЛЬ ПОДВОДТОПЛИВА В ЙОСПЛАЫЕНИТЕЛЬ ДИФФ ТОПЛ КОЛЛ Рис. 6.8. Форсажная камера сгорания точк стаби зона горения зоны обратньп гоков Рис.
6.9. Схема течения газа после стабилизатора пламени нота сгорания топлива в Форсажных камерах ниже (т1 > 0,95), а потребный диапазон устойчивой работы по составу смеси (о,„,.„= 0,7...0,9; а~ „— - 2...2,5) существенно уже, чем в основных камерах. За турбиной двигателя расположен диффузор форсажной камеры, в котором скорость газа снижается от значений Хт = 0,4...0,6 до 3. „-~ — — 0,2...0,3.
В конце диффузора установлено фронтовое устройство, состоящее из системы коллекторов для подачи топлива и стабилизаторов пламени. Перед сгоранием в форсажной камере образуется подготовленная горючая смесь, близкая к однородной. Сгорание этой смеси начинается в турбулентных Фронтах пламени, отходящих от кромок стабилизаторов, и заканчивается на расстоянии 1...1,5 диаметров форсажной камеры. Стабилизаторы служат для создания зон обратных токов, которые выполняют роль автоматически действующих воспламенителей свежей смеси. Обычно размер стабилизатора составляет Л = 40 — 50 мм. Струя, сливающаяся с кромок стабилизатора (рис.
6.9), в силу турбулентного обмена захватывает газ из закормовой области, благодаря чему за стабилизатором понижается давление. Образовавшийся перепад давлений заставляет газ течь в закормовой области навстречу стабилизатору. В потоке за стабилизатором с помощью измерений обнаруживается зона обратных токов, внутри которой газ движется в направлении, обратном основному движению. Можно также выделить зону ре- циркуляции„в пределах которой расходы газа в прямом и обратном направлении равны. Если смесь за стабилизатором воспламенить, то пламя будет удерживаться за кромками стабилизатора. Зона обратных токов окажется наполненной продуктами сгорания с высокой температурой, так как газы попадают сюда, пройдя зону горения. Горячие газы, смешиваясь за кромками стабилизатора со свежей смесью, будут доводить ее температуру до температуры воспламенения.
Возле зоны обратных токов осевая скорость падает до нуля, поэтому здесь обычно находится точка„в которой местная скорость потока равна местной скорости турбулентного сгорания. Это и будет точкой стабилизации. Вблизи корпуса с1юрсажной камеры располагается теплозащитный экран, который не несет силовых нагрузок и служит для предохранения корпуса от воздействия горячих газов. Под экран поступает = 10% газа, и топливо в этот газ не подается.
Из-под экрана газ перетекает через систему щелей и отверстий внутрь форсажной камеры, создавая теплозащитную пелену. Передняя часть экрана называется также антпивибрационным экраном и способствует подавлению акустических колебаний, возникающих при горении.
Запуск форсажной камеры производится, как правило, с помощью огневой дорожки. В районе зоны смешения основной камеры сгорания несколькими импульсами впрыскивается топливо, в процессе движения с газовым потоком это топливо воспламеняется и тем самым обеспечивается запуск форсажной камеры. В ряде случаев для запуска используются также специальные воспламенители. Характеристики форсажных камер сгорания Совершенство форсажной камеры в значительной степени определяется характеристикой по составу смеси Ч = ~(а~. Как правило, максимальные значения и = 0,95...0,97 реализуются при величинах й = 1,2...1,5.
При обогащении смеси значения 'п„снижаются из-за появления переобогащенных зон (а с 1,0), а при обеднении — из-за прекращения горения в объемах газа, бедных топливом. Изменения значений и при изменении давления и температуры газа при входе, как правило, невелики. Только при давлениях ниже атмосферного происходит заметное снижение полноты сгорания топлива из-за затягивания процесса горения. Рт т пив Рис. 6.10. Срывная характеристика форсажной камеры сгорания: 1 — "богатый" срыв; 2 — "бедный" срыв Срывная характеристика форсажной камеры сгорания представляет собой зависимость устойчивой работы камеры по а от давления на входе в нее р (рис. 6.10). При снижении р диа- .'ф:ф пазон устойчивого горения топлива сужается, а при р < р устойчивая работа не обеспечивается при любом а~. Поэтому в условиях полета на больших высотах надежное включение и устойчивая работа форсажной камеры могут быть обеспечены только при достаточно высоком давлении за турбиной и в узком диапазоне режимов по с~ (например, на режимах, близких к режиму полного Форсажа).
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 соединения и различные окислы азота, которые условно обозначаются СН и ИО„, а также дым. Выход загрязняющего вещества у на каждом режиме работы двигателя оценивается индексом эмиссии Е 7., который у Ф представляет собой количество вредного вещества у в граммах, выделившегося при сгорании одного килограмма топлива.
В настоящее время Международной организацией гражданской авиации (1САО) разработаны нормы на допустимое содержание загрязняющих веществ в отработавших газах. СО и СН являются продуктами неполного сгорания топлива, поэтому их образование зависит, в основном, от тех же обстоятельств, что и полнота сгорания топлива. Наибольшее выделение СО и СН наблюдается на режиме малого газа, так как при этом значения р и Т минимальны, а величина с„~ максимальна. На основных же режимах выход СО и СН незначителен. 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), 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 > 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 сгорания обусловлено сжиганием переобогащенной смеси (а с 1,0) в первой зоне. 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. Основные трудности при создании камер сгорания с малым выбросом вредных веществ связаны с тем обстоятельством, что 93 б) а) Рис.
6.11. Двухъярусная (а) и двухзонная (б) камеры сгорания: 1 — зона малого газа; 2 — основная зона горения для снижения выхода СО, СН и ХО необходимо проведение взаимно противоположных мероприятий. Поэтому рациональная конструкция камеры сгорания должна представлять собой некоторый "компромисс" между требованиями, вытекающими из задачи уменьшения эмиссии этих двух групп загрязняющих компонентов. Для дальнейшего снижения эмиссии вредных веществ необходима разработка камер сгорания более сложной конструкции с увеличением числа зон горения, каждая из которых оптимизируется на определенный режим работы (рис. 6.11), или регулируемых камер сгорания.
В двухъярусной камере сгорания (рис. 6.11,а) ярус 1 настроен на работу на малом газе и на пусковых режимах (зона малого газа). Этот ярус характеризуется сравнительно низкими значениями средней скорости течения, следовательно, время пребывания смеси здесь повышено. Это обеспечивает высокие значения т~г и низкий выход СО и СН на режимах малого газа. Ярус 2 работает на основных режимах (основная зона гонения) и характеризуется повышенными значениями скоростей течения и коэффициента избытка воздуха. Это приводит к уменьшению выхода окислов азота ХО . Двухзонная камера сгорания (рис. 6.11,6) имеет зону малого газа 1 и расположенную вслед за ней основную зону горения 2, куда топливо подается лишь на основных режимах работы. Благодаря тому, что в зоне 2 скорости течения повышены и смесь обеднена, достигается снижение образования ЫО„.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
