где F_к - площадь проточной части последней ступени компрессора.

3. Средний диаметр на выходе из безотрывного участка диффузора, м:

,

где a_д=10 12 - угол раскрытия безотрывного участка диффузора.

4. Высота выходного сечения безотрывного участка диффузора, м:

.

5. Наружный и внутренний диаметры выходного сечения диффузора, м:

D_н = d_д + h₁;

D_вн = d_д - h₁.

6. Площадь поперечного сечения участка внезапного расширения, м²:

,

где k_р = 1,15 1,25 - относительная площадь участка внезапного расширения.

7. Высота сечения участка внезапного расширения, м:

.

8. Наружный и внутренний диаметры внезапного расширения, м:

; .

9. Расстояние от плоскости внезапного расширения до жаровой трубы, м: Dl = (1,5 2,0)h_к.

10. Коэффициент потерь давления в диффузоре:

где _д = 0,45 - коэффициент потерь полного давления для диффузоров с внезапным расширением. Если отнести к скоростному напору q=сwк/2 в камере, то .

8.4 Расчет проточной части камеры сгорания

1. Площадь миделевого сечения камеры сгорания, м²

,

где R = 293 Дж/кгК - газовая постоянная; DP_к/P_к - падение давления в камере; DP_к/q_к - коэффициент потерь в камере, рекомендуемые значения которых приведены в табл.8.1.Здесь q=сwк/2--- скоростной напор в камере сгорания

Таблица 8.1

Тип камеры
Трубчатая	0,07	37	0,0036
Трубчато-кольцевая	0,06	28	0,0039
Кольцевая	0,06	20	0,0046

Необходимо отметить, что приведенные в таблице данные соответствуют условиям работы камеры на взлетном режиме. Для обеспечения работы КС в высотных условиях и высотного запуска необходимо увеличить площадь (F_mвысот » 1,5F_взл). Это следует из зависимости

=0,0046

(для кольцевых камер сгорания).

Вследствие уменьшения Tk,Pk в высотных условиях, увеличенные размеры КС являются исходными и для расчетного режима.

2. Средний диаметр КС определяется в зависимости от средних диаметров компрессора и турбины, м:

,

где l_сp - относительное расстояние от входа в жаровую трубу до расчетного сечения (следует принять l_сp = 0,5).

3. Для кольцевой КС, определяющей величиной, является высота (расстояние между наружной и внутренней стенками), м:

.

4. Диаметры наружной и внутренней обечаек кольцевой КС, м:

;.

5. Площадь миделевого сечения жаровой трубы, м²:

,

где k^opt - относительная площадь жаровой трубы (для кольцевой камеры сгорания ).

6. Высота кольцевой жаровой трубы, м:

.

7. Диаметры наружной и внутренней обечаек жаровой трубы в расчетном сечении, м:

D_ж.н = d_cp + H_ж;D_ж.вн = d_cp - H_ж.

8. Длина жаровой трубы, м, определяется из условия обеспечения заданной неравномерности температурного поля :

,

где = 0,2 0,4; А - коэффициент пропорциональности; для кольцевых камер сгорания А = 0,06; относительное падение давления в жаровой трубе определяется по формуле:

, где

- относительные падения давления в камере и диффузоре задается согласно (табл. 7.1).

относительное падение давления в диффузоре

9. Общая длина КС, м, складывается из длины диффузора L_д, жаровой трубы L_ж и расстояния между ними l(см. п.п8.39):

L_к = L_к + Dl + L_к.

8.5 Распределение воздуха по длине жаровой трубы

Распределение площадей отверстий по длине жаровой трубы (раскрытие жаровой трубы) является важнейшим конструктивным параметром вновь проектируемой КС. От того, насколько правильно задано распределение воздуха, будут зависеть все основные характеристики КС - полнота сгорания, эмиссия загрязняющих выбросов и неравномерность температурного поля на входе в турбину.

На первом этапе проектирования распределение воздуха следует задавать на основании статистических данных, полученных на основе обобщения опыта проектирования КС. Далее проводят расчет рабочего процесса в КС и изменяют распределение воздуха таким образом, чтобы добиться наилучших значений основных характеристик КС которые вначале определяются расчетным путем, а затем подтверждается экспериментальными исследованиями..

1. Согласно статистическим данным распределение воздуха задается относительными площадями рядов отверстий в следующих характерных сечениях:

- на входе в камеру сгорания;

- в конце первичной зоны;

- в конце зоны догорания.

Положения рядов отверстий задаются также на основе статистических данных следующими соотношениями:

L_п.з = 0,5H_ж - расстояние до первого ряда отверстий (длина первичной зоны);

L_см = 1,2-1,5H_ж - длина смесителя (зоны разбавления);

L_з.д = L_ж - (L_п.з+L_см) - длина зоны догорания (промежуточной зоны).

Раскрытие жаровой трубы (отношение площадей отверстий до данного сечения к сумме площадей всех отверстий в ЖТ) в характерных сечениях задается в соответствии с рекомендациями:

F_фр =F_фр/F_о = 0,1 0,2 - раскрытие фронтового устройства;

F_о.з.г =F_о.з.г/F_о = 0,2 0,3 - раскрытие отверстий первого ряда отверстий;

F_о.з.с =F_о.з.с/F_о = 0,2 0,3 раскрытие смесителя;

F_охл =F_охл/F_о = 0,2 0,3 - относительная площадь подвода охлаждающего воздуха.

2. Суммарная эффективная площадь отверстий в стенке жаровой трубы, м², определяется согласно [ ] по значению площади миделевого сечения корпуса камеры F_m и относительному падению давления на жаровой трубе DР_ж/:

.

3. Требуемый диаметр радиальных отверстий зоны горения, м:

,

где - отношение динамических напоров струи воздуха и газового потока в жаровой трубе рассчитываются далее в п.п. 8.6, можно принять (20 30); F_о.з.г =F_о;

- относительная глубина проникновения струи.

4. Действительный диаметр отверстий зоны горения, м:

.

где m_о = 0,7 - коэффициент расхода в отверстиях стенок жаровой трубы. Рекомендуется d_о.з.г = 0,012 0,016 м. В случае если диаметр отверстий больше 0,02 м, то их выполняют овальными с целью возможности их расположения на данном диаметре ЖТ или же располагают в шахматном порядке.

5. Общее количество отверстий подвода радиальных струй воздуха в зоне горения:

,

где F_о.з.г= F_о

6. Шаг между отверстиями по наружному и внутреннему диаметрам, м:

,

должно быть (.t>2,0d.)

7. Количество отверстий по наружному и внутреннему диаметрам жаровой трубы:

,

.

8. Количество отверстий в зоне смешения определяют, задаваясь диаметром отверстия (можно принять d_о.з.с =1.5 d_о.з.г)

,

где F_о.з.с=F_o.

9. Количество отверстий по наружному и внутреннему диаметру в зоне смешения определяют также, задаваясь шагом t_о:

; .

10. Количество поясов подвода воздуха для охлаждения стенок жаровой трубы рассчитывается по известной суммарной площади подвода охлаждающего воздуха F_охл и размерам щелей.

Располагаемую площадь одного пояса подвода охлаждающего воздуха для кольцевой камеры сгорания, м², можно определить:

.

При щелевом подводе охлаждающего воздуха h_s - высота щели, меняется обычно в пределах 0,001 0,002 м. Количество поясов охлаждения жаровой трубы, м²:

,

где F_охл = F_o.

8.6 Определение скорости потока и скорости истечения струй в жаровой трубе

1. Среднерасходная скорость в миделевом сечении камеры сгорания, м/с:

.

Значения среднерасходной скорости должны быть в пределах 15 30 м/с.

2. Среднерасходная скорость истечения вторичного воздуха в отверстиях жаровой трубы, м/с:

.

Рекомендуемые значения W_о = 80 100 м/с.

3. Среднерасходная скорость течения в жаровой трубе, м/с:

.

Рекомендуемые значения W_ж = 25 35 м/с, k^opt=F_ж/F_m ? 0,8.

4. Скорость течения газа перед первым рядом отверстий, м/с:

.

5. Скорость течения воздуха в кольцевом канале, между стенками камеры в жаровой трубе, м/с:

,

Рекомендуемые течения W_к.к = 50 100 м/с.

6. Скорость течения в зоне горения между отверстиями смесителя, м/с:

.

Рекомендуемые значения W_п.з = 20 35 м/с.

8.7 Определение характерных размеров головочной части выносной жаровой трубы

Наиболее важной частью жаровой трубы является головная часть, в которой располагается переходный конус и фронтовое устройство, состоящего из топливной форсунки и воздушного завихрителя.

1. Площадь воздушного завихрителя определяется по формуле, м²:

,

где d????????м - толщина лопатки завихрителя; n = 6 10 - число лопаток; ?=--55° - 65° - угол установки лопаток; R_н.з, R_вн.з - наружный и внутренний радиусы завихрителя; примем R_вн.з = R_форс--наружный радиус корпуса форсунки обычно: ??0,005-0,008 м

F_зав = 0,8F_фр /nфорс,

где n _форс -число топливных форсунок, определяется из условия расхода топлива через одну форсунку: n _форс = Gт/Gт _форс

2. Наружный диаметр завихрителя R_н.з, м, можно рассчитать по формуле

Здесь R_н.з - R_вн.з = R_н.з 0.005=h-высота лопатки.

При приближенной оценке R_н.з можно принять, что степень затенения проходного сечения завихрителя лопатками составляет 25%,

Угол раскрытия переходного конуса жаровой трубы согласуется с углом установки лопаток завихрителя : = 2 - 10. Задаваясь значениями R_н.з в пределах 0,02-0,04 м, можно определить геометрические характеристики завихрителя.

3. Число завихрителей:

,

гдеt_ф - относительный шаг между фронтовыми устройствами; значениеt_ф выбирают в пределах 0,2 0,5 и согласуют с прототипом. Обычно количество завихрителей соответствует количеству форсунок.

8.8 Расчет топливных форсунок

В форсунках топливо под давлением подается через тангенциальные каналы в камеру закручивания, из которой оно вытекает в виде конической пелены, быстро распадающейся на капли. Однако одноступенчатые форсунки обеспечивают устойчивое горение лишь в узком диапазоне изменения расхода топлива. Кроме того, при работе двигателей с такими форсунками на большой высоте полета нередко происходят существенное понижение полноты сгорания топлива и ухудшение пусковых характеристик. Для устранения этих недостатков были предложены различные типы более универсальных форсунок, в том числе так называемая двухступенчатая форсунка, которая нашла широкое применение..

Расчет одноканальной форсунки ведется исходя из условия обеспечения необходимого расхода топлива G_т через фронтовое устройство ЖТ и качества распыливания и смешения топлива с воздухом. При использовании жидкого топлива обычно в качестве топливной форсунки применяется центробежный распылитель с центральным отверстием (соплом), расчет которой проводится на основе зависимостей гидравлики.

1.Скорость истечения топлива из сопла рассчитывается по формуле:

W_т = G_т/(n_фF_фт),

где n_ф -количество форсунок, F_ф -площадь сопла в форсунках.

F_ф =_фd²_ф/4, где d_ф - диаметр сопла форсунки; _ф - коэффициент расхода форсунки, m_ф = 0,6

2. Потребное давление топливоподачи:

DP_т=W²_тт/2,

где W_т - скорость истечения; _т - плотность жидкого топлива.

В случае, если потребное давление топливо подачи будет более 100 атм, необходимо увеличить площадь отверстий сопла форсунок и наоборот при малых значения DP_т <10атм.--уменьшить. С целью обеспечения многорежимности работы форсунок, их выполняют двухканальными.

Каждый канал подключается в зависимости от режима работы двигателя, на малых режимах подключается один канал на максимальных работают. оба канала форсунок. В случае применения топливо-воздушных форсунок, в которых используется энергия воздушного потока для распыливания капель, необходимость применения двухканальных форсунок отпадает.

8.9 Расчет характеристик камеры сгорания

Основными характеристиками камер сгорания ГТД являются зависимости полноты сгорания и границ устойчивого горения от режима работы камеры. В настоящее время актуальными становятся также характеристики, связанные с величиной выбросов токсичных компонентов продуктов сгорания.

1.Характеристикой полноты сгорания называют зависимость полноты сгорания от общего коэффициента избытка воздуха при постоянных значениях (P₂, T₂, W₂ ) на входе в камеру.

Приближенная оценка полноты сгорания возможна c помощью параметра форсировки k_v:

,

где ,

V_ж = d_срH_жL_ж - объем жаровой трубы, м³;

2.Характеристикой срыва пламени называют зависимость предельных значений коэффициентов избытка воздуха _ср по "бедной" и "богатой" смеси от расхода воздуха в камере. Обобщение экспериментальных данных на основе теории стабилизации пламени позволило получить критерий срыва пламени k_ср, с помощью которой можно оценить значения _ср по бедному составу смеси.

Границу устойчивого горения в КС по "бедному" составу смеси определяют по известному критерию срыва пламени k_ср:

k_ср = ;

где G_взг = F_о.з.г G- расход воздуха через зону горения, кг/с; - объем первичной зоны, отвечающей за стабилизацию пламени, м³.

С помощью данного уравнения находят значение _ср., которое является предельно допустимым для стабилизации пламени в зоне горения, т.е для обеспечения устойчивого горения необходимо обеспечить условие _ср >a_з.г

3. Объемная теплонапряженность КС, Дж/чЧм³ Па:

.

Для современных камер сгорания ГТД: Q_v = (1,2 6,5)10⁶ Дж/чЧм³ Па.

4. Выбросы окислов азота NO_x определяют по полуэмпирической зависимости, % объема,:

,

где - время пребывания смеси в зоне горения, с;

_з.г = 0,3_к - коэффициент избытка воздуха в первичной зоне и общий для камеры соответственно.

при a_з.г і 1,0.

5. Выбросы окиси углерода определяются по эмпирической формуле, объем, %:

,

где f - доля воздуха, участвующего в горении; примем f = 0,5; G_в.з.г. - воздух, проходящий через зону горения; C, b, c - константы; примем C = 20, b = 1,0, c = 0,009.

8.10 Особенности расчета трубчато-кольцевых камер сгорания

Расчет трубчато-кольцевых КС проходит в том же порядке, что и кольцевых, некоторые особенности возникают в связи с тем, что проводится расчет отдельной жаровой трубы.

В начале необходимо определить количество жаровых труб:

n_ж

- количество жаровых труб, где t_ж - шаг расположения жаровых труб, принимается t_ж = 1,1Н_к; d_ср - средний диаметр камеры (расположения ЖТ), определяется по п.п 8.4.2; Н_к------- по п.п 8.4.3

1. Суммарная площадь миделевого сечения жаровых труб:

,

где k^опт = 0,8; F_m - определяется по п. 7.4.4.

2. Диаметр отдельной жаровой трубы:

,

3. Длину жаровой трубы определяют из условия обеспечения требуемой неравномерности температурного поля :

,

где = 0,25 0,3; А = 0,07 - коэффициент пропорциональности.

4. Суммарная эффективная площадь отверстий в стенке жаровой трубы, м², определяется по величинам площади миделевого сечения корпуса камеры F_m и относительному падению давления на жаровой трубе ?Р_ж/:

.

5. Площадь фронтового устройства

F_фр = (0,1 0,3)F_о.

6. Площадь отверстий подвода вторичного воздуха в зоне горения:

F_о.з.г = (0,3 0,5)F_о.

7. Площадь отверстий подвода охлаждающего воздуха :

F_охл = (0,1 0,3)F_о.

8. Площадь отверстий зоны смешения:

F_з.с =F_ж - F_о.з.г - F_охл - F_фр.

Остальные параметры определяются так же, как и для кольцевой камеры сгорания.

9. Требуемый диаметр радиальных отверстий зоны горения, м:

,

где - отношение динамических напоров струи и потока (20 30); F_о.з.г =F_о; - относительная глубина проникновения струи.

10. Действительный диаметр отверстий зоны горения, м:

.

где m_о = 0,7 - коэффициент расхода в отверстиях стенок жаровой трубы. Рекомендуется d_о.з.г = 0,012 0,016 м. В случае если диаметр отверстий больше 0,02 м, то их выполняют овальными или располагают в несколько рядов.

11. Общее количество отверстий подвода радиальных струй воздуха в зоне горения:

.

12. Шаг между отверстиями по наружному и внутреннему диаметрам, м:

(.t>2,0d.)

13. Количество отверстий по наружному диаметру жаровой трубы:

,.

14. Количество отверстий в зоне смешения определяют, задаваясь диаметром отверстия (можно принять d_о.з.с = d_о.з.г)

,

где F_о.з.с=F_o.

15. Количество отверстий по наружному диаметру в зоне смешения определяют также, задаваясь шагом t_о:

; .

16. Количество поясов подвода воздуха для охлаждения стенок жаровой трубы рассчитывается по известной суммарной площади подвода охлаждающего воздуха F_охл и размерам щелей.

Располагаемую площадь одного пояса подвода охлаждающего воздуха для кольцевой камеры сгорания, м², можно определить:

.

При щелевом подводе охлаждающего воздуха h_s - высота щели, меняется обычно в пределах 0,001 0,002 м. Количество поясов охлаждения жаровой трубы, м²:

,

где F_охл = F_o.

47.Приближенная оценка полноты сгорания возможна c помощью параметра форсировки k_v:

,

где ,

V_ж = d_срH_жL_ж - объем жаровой трубы, м³

18. Границу устойчивого горения в КС по "бедному" составу смеси определяют по известному критерию срыва пламени k_ср:

k_ср = ;

где G_взг = F_о.з.г G- расход воздуха через зону горения, кг/с; - объем первичной зоны, отвечающей за стабилизацию пламени, м³.

По значению _ср определяют предельное значение коэффициента избытка воздуха в первичной зоне, обеспечивающее устойчивое горение.

19. Объемная теплонапряженность КС, Дж/чЧм³ Па:

.

Для современных камер сгорания ГТД: Q_v = (1,2 6,5)10⁶ Дж/ч?м³ Па.

20. Выбросы окислов азота NO_x определяют по эмпирической зависимости, объем, %:

,

где - время пребывания смеси в зоне горения, с;

_з.г = 0,3_к - коэффициент избытка воздуха в первичной зоне и общий для камеры соответственно.

при a_з.г і 1,0.

21. Выбросы окиси углерода определяются по эмпирической формуле, объем, %:

,

где f - доля воздуха, участвующего в горении; примем f = 0,5; G_в.з.г. - воздух, проходящий через зону горения; C, b, c - константы; примем C = 20, b = 1,0, c = 0,009.

Полученные характеристики позволяют определить соответствие требованиям технического задания параметров данной камеры сгорания и принять решение о дальнейших проектных работах по выполнению конструктивного оформления облика камеры. При этом используются вычислительные пакеты программ твердотельного проектирования, позволяющие существенно сократить объём проектных работ за счет автоматизации проектирования.

9. Создание и использование компьютерных программ в расчетах камер сгорания

9.1 Описание одномерной программы "КАМЕРА"

Известно то, что в настоящее время для более полного преставления процессов в камерах сгорания широко используются компьютерные программы различного уровня сложности, отличающихся друг от друга доступностью, достоверностью, временем расчета и др.

В настоящее время сделано много попыток создания программ позволяющих в той или иной мере точности провести расчеты камер сгорания. в том числе в Казанском национальном исследовательском техническом университете КНИТУ-КАИ также проводились широкие научно-исследовательские работы в области процессов горения с целью понимания сложных физических процессов в камерах сгорания и создания доступных для практической работы широкого круга пользователей программы расчета камеры сгорания. В итоге была создана программа «Камера»(сертификационный №……….)

В работе находились несколько версий данной программы. Первоначальные версии программы носили названия Kamera, Gorenie1D, Gorenie1mer, последняя версия программы носит название KAI_gorenie1.Научной основой указанных программ явились подходы изложенные в книге Мингазова Б.Г.[3] и частично в главе 1 настоящего пособия.

В практике предлагаемого расчета применяется многоуровневый подход и используются 1-мерные. 2-х мерные и 3х мерные модели. В последнее время, в связи с ростом быстродействия компьютеров, стали реальностью 4-х мерные модели горения (с учетом нестационарности процессов). Для наглядности можно сделать такое примерное сравнение скорости расчетов на компьютерах среднего уровня , расчет горения по 1-мерной модели протекает менее 1 секунды, по 2-мерной модели десятки минут, по 3-мерной модели несколько часов или суток, по 4-мерной модели расчет целесообразен только на суперкомпьютерах.

С точки зрения последовательного реализации многоуровнего расчета внутрикамерных процессов, на начальном этапе следует использовать одномерную модель камеры сгорания

Это реализовано в предлагаемой программе _gorenie1D. Расчет процессов горения по 1-мерной модели можно проводить достаточно оперативно, что позволит организовать оптимизацию конструкции по различным режимным и конструктивным параметрам на входе. Это является весьма важным преимуществом 1-мерной программы при практических расчетах. КС.

На начальном этапе для лучшего понимания формирования исходных параметров и конструктивных особенностей камер сгорания ГТД, предварительный расчет облика КС (раздел 8 настоящего пособия) проводится без использования компьютерных программ.. Следует ометить, что этот же расчет можно проводить и с помощью программы «Камера»

Результатом предварительного расчета являются основные геометрические параметры и конструктивные особенности, в том числе и размеры и расположение отверстий после этого , с точки зрения понимания основ расчета, целесообразно обращаться к предлагаемой программе для дальнейшего расчета характеристик и оптимизации подвода воздуха в ЖТ.

Программа «Камера» предусматривает также возможность формирования исходных данных геометрии существующих конструкций КС. В этом случае координаты КС и ЖТ берутся из чертежей рассчитываемой КС. и также проводятся расчеты изменения параметров по тракту ЖТ , а также характеристик существующего КС в целом.

9.2 Особенности формирования одномерной программы «Камера»

1.Облик камеры сгорания формируется в виде координат точек контуров наружного и внутреннего кожухов камеры сгорания и жаровой трубы, в предположении их симметрии относительно общей оси основных линий тока (ОЛТ)

2. Диффузор КС формируются также симметричным относительно ОЛТ. и имеет безотрывную и отрывную части, размеры которых находятся из предварительных расчетов и задаются в виде безразмерных коэффициентов.

3.Фронтовое устройство в виде лопаточных завихрителей, размеры которых определяются по расходу воздуха, также задаются симметричными относительно ОЛТ..

4. На начальном этапе размеры отверстий ЖТ и расстояние их расположения от фронта задаются на основе статистических данных, представленных в п.п 8. которые в процессе расчетов уточняются.

5. Кроме того задаются углы конусов на входе и выходе из цилиндрической части ЖТ.

После задания вышеперечисленных параметров, модуль предварительной обработки подготавливает массивы данных, в которых определены следующие значения:

- длина ЖТ;

- количество слоев, на которые разбивается ЖТ (около 500, не более 1000);

- площадь каждого сечения по длине ЖТ;

- высота ЖТ в каждом сечении;

- количество завихрителей;

- суммарная площадь отверстий завихрителей (фронтовое устройство);

- расположение по длине ЖТ поясов подвода воздуха и суммарная площадь отверстий для каждого пояса;

- расположение по длине ЖТ топливных форсунок и их свойства.

Кроме конструкции на процессы горения влияют внешние условия (режимы работы КС):

- температура воздуха за компрессором;

- давление воздуха за компрессором;

- расход воздуха через ЖТ;

- расход топлива или же требуемая температура газов на выходе из камеры сгорания

9.3 Порядок расчета процессов в камере сгорания по программе «Камера»

После формирования конструктивного облика камеры сгорания в программе предусмотрен следующий порядок расчета:

1. Определение потребного расхода топлива по заданной температуре газов на выходе из ЖТ.

2. Расчет среднего размера капель жидкого топлива по заданному значению размера сопла топливной форсунки и соответственно давления подачи топлива (размер капель жидкого топлива зависит от диаметра сопла и перепада давления).

3. Определение степени испарения топлива, которая зависит от относительной скорости и температуры окружающего газа (в начальный момент от температуры на входе в камеру)

4. Расчет состава смеси в каждом сечении по испаренному и остаточному после горения топливу и воздуху в предыдущей зоне, а также по воздуху, поступившему из периферийных отверстий ЖТ. При этом учитывается смешение поперечных струй воздуха.

5. В каждом сечении определяется полнота сгорания топлива, которая зависит от , скорости и турбулентности потока, балластировки продуктами сгорания.

6. Проводится расчет температуры газа в каждом сечении ЖТ

7. Результатом работы программы являются итоговые параметры и графики зависимостей вдоль ЖТ температуры и скорости потока, полноты сгорания, степени испарения топлива, местных значений коэффициента избытка воздуха по остаточным компонентам. Кроме того программа может представить интегральные характеристики зависимостей полноты сгорания температуры газа, выбросов NO и СО от режима работы камеры сгорания по коэффициенту избытка воздуха.

9.4 Установка программы

Программа «KAI_gorenie1D» является приложением Windows, она выполнена в виде одного файла, который не требует какой-либо особой инсталляции, однако целесообразно выполнить следующие действия.

Для программы создать отдельную папку (например C:\ KAI_gorenie1D), затем скопировать в нее исполняемый файл (KAI_gorenie1D.exe). Запуск программы осуществляется двойным щелчком левой кнопки мыши или клавишей «enter».

На Рабочем столе можно создать ярлык для запуска программы, но не надо на Рабочий стол копировать саму программу. Сначала в данной папке не будет других файлов, но в процессе работы в данной папке будут создаваться файлы двух основных типов *.param_graf1 и *.kamera_sg1.

Рекомендуется создать вложенные папки для вариантов конструкций на каждую тему. В файлах с расширением *.kamera_sg1 сохраняются данные по облику КС и режимам процесса горения. В файлах с расширением *.param_graf1 сохраняются данные, связанные с отображением на экране результатов работы программы (если отобразить сразу все, то экран будет переполнен и непонятен).

Программа ориентирована на быстрый расчет различных вариантов конструкции. Одновременно можно сравнивать процессы горения в трех конструкциях КС. Для сравнения необходимо, чтобы анализировались одни и те же процессы и графики имели одинаковый масштаб. По этой причине облик КС (конструкция) и список графиков сохраняются в различных файлах.

9.5 Порядок работы с программой

ОС Windows позволяет запустить несколько копий программы. Пользователь должен четко помнить: с какими данными работает каждая копия и куда данные будут сохраняться.

Запускаем программу KAI_gorenie1D, при этом открывается окно «Варианты загрузки»

Окно содержит три рамки

Рамка 1. Продолжение последнего сохраненного сеанса - самое распространенное действие. После нажатия кнопки «Продолжить» продолжается работа с текущей конструкцией.

Рамка 2. «Выборочная загрузка». Для специалистов, освоивших программу. Эта опция предусматривает самый гибкий вариант загрузки параметров. Пользователь выбирает данные, необходимые для работы.

Рамка 2 содержит 4 строки, имеющие поле для галочек и кнопки «Выбрать». Первая строка: Список графиков и итогов. Если в первой рамке открывается файл предыдущих настроек (по умолчанию), то во второй рамке файл настроек предусматривает выбор любых файлов, ранее сохраненных данной программой.

Вторая строка: Файл Облика КС и режимов КС. После нажатия кнопки «Выбрать» появляется список файлов с ранее сохраненными обликом (конструкцией) и параметрами КС. Здесь мы выбираем нужный файл для последующего открытия с расширением kamera_sg1.

Третья и четвертая строки: Для того, чтобы одновременно загрузить два или три различных облика КС (для удобного сравнения); ставим галочки в третьей или четвертой строке или в обеих строках одновременно.

Рамка 3. При первом запуске программы или для совершенно новой конструкции КС необходимо очистить файл настроек и облика КС с помощью кнопки «Очистить»

Далее открывается окно «Одномерный расчет», содержащее главное меню программы

Пункт главного меню - «Выход» - стандартный пункт меню.

Пункт главного меню - «Сохранить как»: Открывается окно «Промежуточное сохранение облика и настроек КС».



Этот пункт выполняется, когда пользователь решил сохранить результаты расчета.

Открываются две строки: Файл настроек; Файл облика и параметров

Проставить одну или две галочки. После нажатия кнопки «Выбрать» появляется стандартное диалоговое окно Windows Сохранения файла.

В строке Имя файла назначаем имя файла в любой раскладке с фиксированным расширением :

Для параметров param_graf1

Для Облика КС kamera_sg1.

Пункт главного меню - «Облик КС»

Открывается окно «Режимы работы и облики КС и ЖТ». Первоначально данное окно открывается автоматически.

Появляются поля ввода и информационные строки: Поле ввода температуры торможения за компрессором К (из ТГД-расчета или ТЗ)

Поле ввода полного давления за компрессором, Па (из ТГД-расчета или ТЗ). Ниже для пояснения пересчитано в атм.

Поле расхода воздуха через КС кг/с (из ТГД-расчета через компрессор минус около 5% на технологические нужды согласно ТЗ).

Поле выбора алгоритма для расчета расхода топлива: в задании часто указывается или , или расход топлива, или температуру на выходе КС. Эти величины однозначно взаимосвязаны. Назначаем или расход топлива, которые отображаются контрастно. Вычисляемые величины отображаются неконтрастным цветом и вручную изменены быть не могут.

Информационная строка: при идеальном сгорании (вычисляется по формуле при ЕТА =1.0)

Информационная строка полноты сгорания ЕТА - текущее значение, вычисленное программой при введенных параметрах.

В канале на выходе КС - максимальная температура на выходе КС из-за неравномерности поля температур. Средняя температура на выходе КС.

Кроме перечисленных режимных параметров, необходимо задать множество других (для сложной конструкции до 200 параметров). Все дополнительные параметры разделены на 5 групп, соответственно пунктам меню.

Примечание: Открытие любого дополнительного окна параметров блокирует открытие других окон программы. Каждое из 5 дополнительных окон параметров имеет единообразное меню.



«Выполнить расчет» - выполняем расчет горения при изменении параметров (в отличие от окна «Режимы работы и облик КС и ЖТ, где расчет выполняется автоматически). «Отменить исправление и закрыть» - возврат к данным, которые были до открытия дополнительного окна.

Группа параметров “Геометрия”.

Первые четыре поля задают расположение ОЛТ (осредненная линия тока) относительно оси двигателя.

Начало КС совпадает с началом конструктивного элемента КС.

Рис. 9.1. Схема облика камеры сгорания полученная расчетным путем.

Здесь начало координат Х и У соответствует точке пересечения оси двигателя с координатой У, проходящей через начало КС(конец компрессора)

Координата Lд«диффузор» - это расстояние от начала КС до начала ЖТ по оси двигателя.

Координата Lкс«выход» - это расстояние от начала КС до конца КС и ЖТ по оси двигателя.

Rт «средний радиус» - на входе в турбину.

В расчетах в основном используются кольцевые камеры сгорания. Следующие два поля позволяют вести расчеты трубчато-кольцевых и трубчатых КС.

- полностью кольцевая КС;

- трубчато-кольцевая КС;

- трубчатая КС.

Строки «Принцип отсчета» - могут принимать два значения:

- при назначении симметричного принципа отсчета координат мы значительно облегчаем задание облика КС;

- Облик КС можно приблизить к реальной конструкции при назначении несимметричного принципа отсчета координат (в этом случае ОЛТ не является средним радиусом на выходе из компрессора и средним радиусом на входе в турбину, а проходит только через центр завихрителя).

Строка «Определение контура КС и ЖТ»

Строки «Наружная и внутренняя обечайки КС»

Строки количество точек контура: от 2 до 25

Координаты точек задаются в системе координат ОЛТ. Ещё раз необходимо сделать важное замечание: положение ОЛТ задается в системе координат оси двигателя, а координаты точек контура КС и ЖТ задаются в системе координат ОЛТ.

Первый столбец слева- координата Х вдоль ОЛТ.

Второй столбец - координата Y, перпендикулярная ОЛТ. Как правило, для наружной обечайки координата Y имеет положительное значение, для внутренней обечайки координата Y имеет отрицательное значение. Координаты Х назначаются последовательно по мере возрастания, причем координата Х первой точки равна 0, координата Х последней точки равна абсолютной длине КС.

Строка «Наружная и внутренняя обечайки ЖТ»

Первый столбец - координата Х вдоль ОЛТ;

Второй столбец - координата, перпендикулярная ОЛТ.

Примечание: первая точка контура ЖТ уже задана, как расположение наружного радиуса завихрителя и не может быть изменена (бледный цвет шрифта)

При несимметричном принципе расчета выполнить аналогичные действия для внутренней обечайки КС и ЖТ, т.е. заполнить третий и четвертый столбцы для КС и ЖТ.

Распределение вторичного воздуха по длине ЖТ. Группа параметров «Пояса подвода воздуха».

В первой строке задается скорость воздуха через завихрители и отверстия подвода воздуха. На этом основании программа рассчитывает общую потребную площадь проходных сечений фронтового устройства и всех отверстий подвода воздуха .

Следующие три строки описывают геометрию завихрителя:

- доля (относительный расход) через завихритель

- наружный радиус завихрителя

- внутренний радиус завихрителя.

Исходя из этого программа рассчитывает количество завихрителей.

Наружный и внутренний радиусы завихрителя берутся из прототипа для последующей оптимизации, при этом информационные поля будут необходимы для экспорта данных в 2D и 3D программы.

Пятая строка: количество поясов подвода воздуха (от 1 до 25). Информационная строка подсказывает, что пояса подвода воздуха могут располагаться по всей длине ЖТ, но координата Х подводов воздуха не должна выходить за пределы назначенной длины ЖТ.

Каждый пояс подвода воздуха определяется следующими параметрами:

- доля расхода через данный пояс подвода воздуха

- признак вычисляемой доли

- координата Х - расстояние от начала ЖТ в м.

- диаметр отверстий данного пояса.

- расположение - в данной одномерной программе этот параметр не учитывается и необходим для 2D и 3D модели.

- угол втекания струи воздуха в газо- воздушный поток(угол между стенкой ЖТ и осью струи по направлению потока) - этот параметр определяет угол втекания струи воздуха в поток и влияет на интенсивность смешения струи воздуха с основным потоком в ЖТ: (для охлаждающих стенки ЖТ струй этот угол должен быть не более 10-ти градусов; а для струй воздуха, поступающих в зону горения и смешения - не более 90 градусов.

Исходя из потребного количества воздуха в данном поясе ЖТ, вычисляется необходимое количество отверстий для подвода воздуха данного пояса.

Следует отметить, что в программе предусмотрена возможность корректировки результатов расчета смешения струй воздуха в соответствии с имеющимися экспериментальными в литературе данными. Результаты смешения за завихрителем, и в зоне обратных токов корректируются с помощью соответствующих коэффициентов

Данную процедуру можно осуществить с помощью подраздела «Коэффициенты модели горения» раздела «Режимы работы КС».

Кроме того, здесь предусмотрена возможность корректировки и других коэффициентов, связанных с процессами горения, таких как задание величины нормальной скорости горения Uн с учетом балластировки продуктами сгорания или без учета, а также уравнения Зельдовича при вычислении выделения NOх..

Необходимость введения таких коэффициентов связана с тем, что при использовании одномерного подхода в расчетах сложных процессов, протекающих в камерах сгорания невозможно полностью идентифицировать полученные расчетные данные с результатами эксперимента, т. е. обеспечить достоверность первого варианта расчетов.

Для обеспечения идентификации результатов расчета необходим последовательный подбор указанных коэффициентов, что можно выполнить следующим образом:

- задание исходных геометрических и параметрических данных в соответствии с ТУ;

-подбор коэффициентов смешения и эмиссии (вначале их можно принять равными единице, т.е. соответствии теории);

-проведение расчетов и сопоставление результатов расчета полноты сгорания, температуры газов и эмиссии NOx с данными, полученными при испытаниях прототипа исследуемой камеры или же данные, имеющиеся в литературе по аналогичным камерам.

-в случае не соответствия расчетных и опытных данных необходимо провести корректировку коэффициентов моделей смешения и эмиссии и последовательно добиться их соответствия в сходных режимах работы КС.

-найденные значения указанных коэффициентов сохраняются постоянными в ходе дальнейших исследований данной камеры сгорания, и определяется влияние различных режимных и геометрических параметров на выходные характеристики, т.е. проводится оптимизация конструктивного облика КС.

-проводится экспорт полученной конструкции в более сложные двух-и -трехмерные модели с целью дальнейшей оптимизации и отладки конструкции.

Интегральные характеристики камеры сгорания. Существенным преимуществом рассмотренной одномерной модели является то, что с её помощью можно оперативно проследить за влиянием исходных параметров на выходные, т. е. можно определить работу камеры на различных режимах и одновременно провести сопоставление различных конструкций

Здесь под интегральными характеристиками понимается зависимости основных выходных параметров КС температура, полнота сгорания и эмиссия NOx, CO от исходных, в частности от коэффициента избытка воздуха бк.На рис…представлены в качестве примера такие характеристики.

газотурбинный двигатель сгорание топливный форсунка

10. Двухмерный и трехмерный подходы для расчета камеры сгорания на основе программы ANSYS Fluent

10.1 Создание геометрической модели и расчетной сетки

Для проведения расчетов на первом этапе должна быть создана геометрическая модель и построена расчетная сетка в ее области. С этой целью нами используется программа - генератор сетки "Gambit".

Как показано на рис. 10.1, камера сгорания представляет собой довольно сложную конструкцию с точки зрения выполнения ее компьютерной модели, а тем более построение в ее области расчетной сетки. Качественная сетка в такой модели будет содержать не менее одного миллиона элементов и для ее полного расчета потребуется значительное время, например при использовании стандартного двух ядерного компьютера, не менее трех суток.

Рис. 10.1. Упрощенный сегмент жаровой трубы камеры сгорания (3-d модель) с распределением температурных полей в плоскости проходящей через ось горелки внутреннего ряда

С целью сокращения компьютерного времени расчета в модель введены некоторые упрощения:

- модель течения предполагает двухмерный подход.

- не учитывается конструктивные особенности форсунки.

- предполагается равномерное распределение топлива на входе в объем жаровой трубы

- закрутка потока от лопаточных завихрителей не учитывается.

- отсутствует неравномерность подвода воздуха через пояса отверстий жаровой трубы, предполагается щелевой подвод с эквивалентной площадью.

а б

Рис. 10.2. Пространственная модель камеры сгорания (а) и двухмерная расчетная область с нанесенной сеткой (б)

В программе "Камера" автоматизирован очень трудоемкий процесс создания геометрической модели камеры сгорания. Для этого создаются журнальные файлы *.jou, которые обрабатываются программами "Gambit" и "Fluent". В окне с результатами расчета присутствует пункт меню "Export".

После вызова данного пункта будет доступно окно, позволяющее настроить параметры экспорта в программы Gambit и Fluent необходимые для осуществления двухмерного расчета камеры сгорания.



Поскольку журнальные файлы создаются практически мгновенно, то решено создавать сразу все варианты, а не использовать выбор конкретного варианта. Папка, используемая для взаимодействия с программами Gambit и Fluent, первоначально должна быть пустой.

Журнальные файлы программ Gambit и Fluent не будут корректно выполнены, если будут существовать файлы, в которые они сохраняют свои данные. Имя данной папки не должно содержать русских букв (это ограничение программ Gambit и Fluent).

Последовательно выполняются расчеты:

1) газодинамика на холодном режиме

2) процессы горения

3) расчет оксидов азота

В зависимости оттого, какой вариант будет выбран в программе Fluent будут включены в расчет соответствующие дифференциальные уравнения.

Обязательно необходимо ввести и количество итераций, то есть количество приближений во время расчета в программе Fluent для достижения схождения результатов. Рекомендуется количество итераций устанавливать не менее 1000. Меньшее количество итераций сократит время расчета, но при этом ухудшит точность полученных результатов.

После настройки параметров, для создания журнальных файлов, необходимо нажать на кнопку "создать журнальные файлы".

После этого программу "Камера" целесообразно закрыть с сохранением всех параметров. После длительного расчета программами Gambit и Fluent необходимо открыть программу "Камера" ранее сохраненными параметрами, и выполнить действие "Импорт 2D расчета", это действие позволит сравнивать результаты 1D и 2D расчетов.

Литература

1. Михайлов А.И., Горбунов Г.М. и др. Рабочий процесс и расчет камеры сгорания газотурбинных двигателей. М.: Оборонгиз, 1959. 285 с.

2. Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД. М.: Мир, 1986. 566 с.

3. Образование и разложение загрязняющих веществ в пламени / Под ред. Н.А. Чигир. М.: Машиностроение, 1981. 407 с.

4. Пчелкин Ю.М. Камеры сгорания газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1973. 392 с.

5. Ильяшенко С.М., Талантов А.В. Теория и расчет прямоточных камер сгорания. М.: Машиностроение, 1964. 306 с.

6. Лебедев Б.П., Доктор И.Ю. О стабилизации пламени неоднородных смесей // Третий всесоюзный симпозиум по горению и взрыву. Л., 1971. С. 119-121.

7 Мингазов Б.Г. Камеры сгорания ГТД. Казань,изд-воКГТУ,2006г, 216с.

7. Зельдович Я.Б., Солодовников П.А., Франк-Каменецкий Д.А. Окисление азота при горении. М.: АН СССР, 1947. 145 с.

8 Кулагин В.В.

Размещено на Allbest.ru

...