Анализ характеристик камеры сгорания и эффективности ее работы в составе двигателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Анализ характеристик камеры сгорания и эффективности ее работы в составе двигателя

Специальность 05.07.05 "Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов"

Тин Маунг Хтай

Москва - 2010

Работа выполнена в Московском авиационном институте (государственном техническом университете) "МАИ".

Научный руководитель:

кандидат технических наук, профессор Онищик Иван Иванович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, Кутыш Иван Иванович,

кандидат технических наук, доцент Семенов Александр Александрович.

Ведущая организация: Научно-технический центр им. А. Люльки НПО "Сатурн".

Защита диссертации состоится "18" октября 2010 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.125.08 при Московском авиационном институте (государственном техническом университете) по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института (государственного технического университета) "МАИ".

Автореферат разослан " __" 2010 года.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., Ю.В. Зуев.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В составе газотурбинного двигателя основная камера сгорания работает в широком диапазоне изменения расходов воздуха и топлива, температуры и давления потока за компрессором двигателя. Эффективность работы камеры определяется большим количеством характеристик. Наиболее важными из них являются характеристики по полноте сгорания топлива (полнотные характеристики) и срывные характеристики, так как от них зависит топливная экономичность, выбросы загрязняющих веществ (СО и СН) и работоспособность двигателя. Полнотные характеристики камеры сгорания - это зависимости коэффициента полноты сгорания топлива _г от расхода воздуха через камеру G_к, его температуры Т_к, давления р_к и коэффициента избытка воздуха _к. Срывные характеристики - зависимости приведенной скорости воздуха на входе в камеру л_к от величины б_к при срыве (прекращении) горения при различных значениях р_к и Т_к.

Исследованию камер сгорания посвящено большое количество работ. Важным результатом этих исследований является получившее широкое распространение использование параметра форсирования К_V камера сгорания для обобщения данных по полноте сгорания топлива на основных рабочих режимах двигателя. Однако при этом не учитывается влияние изменение коэффициента избытка воздуха _к, которое может быть весьме значительным. Определение характеристик камер на основе анализа протекающих в них физико-химических процессов с использованием в том числе и математических моделей турбулентных течений высокого уровня является, по-видимому, перспективным, но пока не нашло широкого распространения.

Как правило, полнотные и срывные характеристики камер сгорания в настоящее время определяются экспериментально в ограниченном диапазоне изменения параметров. Поэтому является актуальной разработка полуэмпирических математических моделей, базирующихся на физических представлениях о закономерностях рабочего процесса камер и на анализе и обобщении результатов их экспериментальных исследований. Такие характеристики, несмотря на их приближенность, могут найти применение при расчетах характеристик двигателя в различных условиях эксплуатации.

Наряду с этим недостаточно изучены условия работы камер сгорания в составе двигателей, отличающихся расчетными значениями параметров рабочего процесса и эксплуатационными режимами. Проведение такого анализе для основных типов турбореактивных двигателей представляется актуальным, так как на его основе могут быть получены рекомендации по учету характеристик камер сгорания при расчетах двигателя, более обосновано сформулированы требования к характеристикам камер сгорания с точки зрения обеспечения эффективной работы двигателя, а также требования и рекомендации об условиях экспериментального определения этих характеристик.

Актуальность темы диссертации - При разработке турбореактивных двигателей необходимо знать характеристики узлов. Характеристики камеры сгорания определяются экспериментально, так как их рассчитать в настоящее время практически невозможно. Поэтому обобщение экспериментальных характеристик камер сгорания и разработка на этой основе их полуэмпирических математических моделей является актуальной задачей. Применение полученных моделей при расчетах двигателей позволит учесть влияние характеристик камеры на характеристики двигателя.

Актуальной задачей является также анализ эффективности работы камеры сгорания в составе двигателя при различных значениях параметров его рабочего процесса и условий эксплуатации. Результаты такого анализа позволят более обоснованно выбирать параметры камеры сгорания и условия экспериментальной проверки ее характеристик.

Цель работы - разработка методов расчета характеристик камер сгорания для повышения эффективности их работы по экономичности и устойчивости горения в системе двигателя.

Задачи работы:

1. Анализ экспериментальных данных по полнотным и срывным характеристикам типичной современной камеры сгорания.

2. Разработка на этой основе полуэмпирических математически моделей полнотных и срывных характеристик камеры.

3. Анализ влияния параметров камер сгорания на их полнотные и срывные характеристики.

4. Анализ эффективности работы камеры в составе турбореактивных двигателей при различных значениях параметров их рабочего процесса и условий эксплуатации.

Научная новизна:

1. Впервые на основе учета неравномерности полей температур газа в выходном сечении типичной современной камеры сгорания ТРД получены полуэмпирические зависимости, позволяющие определять величину коэффициента полноты сгорания топлива _г при различных значения коэффициента избытка воздуха и других определяющих параметров;

2. Впервые разработаны полуэмпирические математические модели полнотных и срывных характеристик камеры сгорания исследованного типа, применимые к камерам сгорания различной размерности вследствие использования в них относительных параметров;

3. Впервые проведен анализ полноты сгорания топлива и устойчивости горения в камере для наиболее распространенных типов турбореактивных двигателей при различных режимах их работы.

Достоверность и обоснованность результатов работы достигается тем, что в основе теоретических предпосылок лежит анализ наиболее важных результатов экспериментальных и теоретических исследований рабочего процесса камер сгорания ТРД. Положенные в основу разработанных математических моделей зависимости базируются на экспериментальных данных, полученных при различных значениях конструктивных характеристик камер и параметров режимов их испытаний. При анализе эффективности работы камеры в составе двигателя применяются широко используемые данные по характеристикам компрессоров и программы расчета на ЭВМ характеристик двигателей.

Практическое значение работы - состоит в том, что её результаты могут быть использованы при предварительных расчетах полнотных и срывных характеристик камер сгорания исследованного типа, при анализе влияния этих характеристик на параметры рабочего процесса турбореактивных двигателей, а также при разработке методов испытаний камер сгорания и при анализе их характеристик.

Апробация работы - Отдельные результаты работы докладывались на семинаре каф.201 МАИ, а также на следующих конференциях.

1. Доклад на 4-й научно практической конференции молодых ученых и специалистов "Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности", 2007 г.

2. Доклад на XIII Всероссийской Межвузовской научно-технический конференции "Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели". Москва, 2008г.

Автор защищает - полуэмпирические зависимости, позволяющие определять полнотные и срывные характеристики камеры сгорания исследованного типа; полуэмпирические математические модели этих характеристик; результаты расчетного исследования влияния параметров рабочего процесса и эксплуатационных режимов двигателя на характеристики камеры сгорания.

Публикации - По основным результатам выполненных в диссертации исследований опубликовано 4 печатных работы, из них 2 научная статья и 2 тезиса докладов [1…4].

Объем и структура работы - Диссертационная работа изложена на 106 машинописных страницах и состоит из введения, 5 глав, заключения и списка использованных источников. Иллюстративный материал представлен в виде 41 рисунков и 6 таблиц. Список использованных источников включает 25 наименование на 3 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационный работы. Отмечается, что полнотные и срывные характеристики камеры сгорания в значительной степени определяют экономичность и надежность работы ГТД. В связи со сложностью рабочего процесса в камере практически отсутствуют методы расчета этих характеристик. Поэтому задачами диссертации является анализ результатов экспериментальных исследований полнотных и срывных характеристик типичной современной камеры сгорания, разработка на его основе математических моделей характеристик и применении их к анализу эффективности работы камеры в составе двигателя.

В первой главе диссертации дан обзор научно-технической литературы, посвященной исследованию рабочего процесса камер сгорания ГТД и их характеристик.

Отмечается, что на основе проведенных исследований был предложен параметр форсирования камеры сгорания К_V, с использованием которого может быть определен коэффициент полноты сгорания _г на рабочих режимах:

, _г =1-0,8 К_V² (1)

При этом не учитывается влияние коэффициента избытка воздуха на величину _г, которое может быть значительным в основном из-за неоднородности состава смеси в камере сгорания.

При снижении _к в переобогащеннных зонах смеси эффективность горения может уменьшаться из-за нехватки кислорода, а при увеличении _к в обедненных зонах будет происходить замораживание горения из-за выхода состава смеси за концентрационные приделы воспламенения.

Рис. 1. Схема камеры сгорания ГТД

В научно-технической литературе приводятся результаты экспериментальных исследований, проведенных в Казанском авиационном институте, полнотных и срывных характеристик камер сгорания по конструкции близким к ряду современных камер сгорания. Эти данные анализируются в диссертации.

Вторая глава. В главе приводится анализ экспериментальных данных по полноте сгорания топлива, полученных в упомянутых выше исследованиях.

Исследовался 4-х горелочный отсек кольцевой камеры сгорания.

Фронтовое устройство жаровой трубы отсека состояло из 4-х лопаточных завихрителей с трапециевидными смесительными патрубками и 2-х канальными центробежными форсунками. Подвод воздуха в зону горения осуществлялся через один пояс, а в зону смешения через 2 пояса отверстий в стенках жаровой трубы. Охлаждающий воздух подводился через пояса мелких отверстий в выштамповках стенок жаровой трубы. Такая конструкция камеры сгорания характерна для современных двигателей (рис. 1).

В экспериментах осуществлялось частичное (жаровая труба 4.2) и полное (жаровая труба 4.3) закрытие с помощью заглушек отверстий зоны смешения.

Испытания отсеков проводились на следующих режимах: режимы 4.1а, 4.2а, 4.3а G_в= 0,67 0,78 кг/с, _к= 0,22 0,28, Т_к= 348 358 К; режимы 4.1б, 4.2б, 4.3б G_в= 0,62 0,71 кг/с, _к= 0,25 0,298, Т_к= 523 533 К.

Расчеты по формулам (1) для всех вариантов жаровых труб дают следующие значения коэффициента полноты сгорания топлива_г: режим (а) _гv = 0,9; режим (б) _гv =0,96.

Эти значения _г близки к величинем, полученным при _к2. При увеличении _к > 2 и снижении _к < 2 величины _г уменьшаются из-за влияния, главным образом, неравномерности состава смеси (см. выше).

С целью учета этого влияния было принято, что _г = _гvд. Значение _гv рассчитывается по формуле (1) (назовем его коэффициентом объема). Величина _д (коэффициент смешения) определяется по распределению состава смеси (местных значений коэффициента избытка воздуха _i) в выходном сечении камеры сгорания.

Состав смеси в каждой точке выходного сечения удобно характеризовать значениями температуры Т_i, соответствующими местным значениям коэффициента избытка воздуха _i при величинах коэффициента полноты сгорания _гi, близких к 1 ("идеальная" температура).

На основе анализа полей температур газа, полученных в выходном сечении модели смесителя кольцевой камеры сгорания, было установлено, что распределение температур по площади выходного сечения (это соответствует приблизительно распределению по массе газа G) может быть аппроксимировано линейной зависимостью.

Для характеристики неравномерности поля температур в выходном сечении камер сгорания применяется величина:

,

называемая максимальной неравномерностью температурного поля. Если использовать эту величину для характеристики распределения "идеальных" температур по массе газа в выходном сечении камеры сгорания то для линейной зависимости Т_i=f(G) получим:

T_i=Т_г-_г(Т_г-Т_к)(1-2G); T_imax=Т_г+_г(Т_г-Т_к); T_imin= Т_г-_г(Т_г-Т_к); (2)

Здесь Т_г - среднемассовая "идеальная" температура. В расчетах принималось, что:

,

H_u= 43000 кДж/кг,С_p =1,1 кДж/кгК; _г = 0,98.

Для определения _г в зависимости от значений конструктивных параметров камеры сгорания можно использовать формулу, полученную в результате обобщения экспериментальных данных по полям температур в полноразмерных камерах сгорания и приведенную в научно-технической литературе.

Распределение действительных температур (Т_д) при пониженных значениях _г будет отличаться от распределения "идеальных" температур Т_i. С уменьшением значений _к общий уровень температур будет увеличиваться и максимальные ее значения T_max могут достигнуть стехиометрических значений, назовем их предельными (Т_пр), т.е. соответствующих _i =1.

При дальнейшем обогащении смеси местные значения _i станут меньше единицы, и температура газа здесь сохранится постоянной или даже уменьшится, так как при <1 значение _г будет уменьшаться из-за нехватки кислорода. Поэтому было принято, что при T_i >T_пр величины T_i =T_пр.

При обеднении смеси (увеличении _к) температура газа будет снижаться, и значение T_min (и соответствующие им значения _i) может стать таким (критическая температура Т_кр), что горение станет невозможным: _г=0. Поэтому при Т_i< Т_кр действительные значения местных температур станут близкими к Т_к. Значение G, соответствующие условию Т_i=Т_пр, обозначимG_пр, а условию:

Т_i = Т_кр -- G_кр.

Характерный вид распределения действительных температур по массе газа в выходном сечении камеры при Т_imax > Т_пр и T_imin < Т_кр представлен на рис. 2.

Рис. 2. Распределение температур по массе газа в выходном сечении камеры. --------- "идеальная", --- действительная температуры

По распределению действительных температур может быть определено значения коэффициента смешении _д:

, (3)

G_пр=(Т_пр-Т_imin)/(T_imax-T_imin), если T_imax >Т_пр, иG_пр=1, если T_imax Т_пр;

G_кр=(Т_кр-Т_imin)/(T_imax-T_imin), если T_imin < Т_кр, иG_кр=0, если T_imin Т_кр.;

При составах смеси близких к стехиометрическим (_{к к 0} 1,7) весь объем камеры сгорания будет представлять собой зону горения и можно предположить, что в ее выходном сечении горение будет прекращаться при значении Т_кр=Т_{кр 0}, соответствующих "бедному" концентрационному пределу распространения пламени. В расчетах было принято, что Т_{кр 0} = 1400К.

При обеднении смеси граница окончания горения будет смещаться в сторону фронтового устройства. При определенных значениях _к= _кг эта граница смесится в конец зоны горения, а при _к= _кф - в конец первичной зоны. Во всех случаях горение будет прекращаться в локальных объемах смеси при значениях местной температуры меньших или равных Т_{кр 0}. Однако при движении газа к выходному сечению в эти объемы будет подмешиваться воздух, подводимый по длине жаровой трубы. Таким образом в выходном сечении камеры значение Т_кр будет тем меньше, чем больше величина _к.

Для определения значений Т_кр были использованы экспериментальные данные, приведенные в упоминавшихся выше работах.

Анализ полученных данных показал, что результаты расчетов значений Т_кр для всех исследованных вариантов отсеков могут быть обобщены в виде единой зависимости

_отн = f(_отн)

(см. рис 3). Здесь:

; ; _кг = _{к 0} /G_г; _кф= _{к 0} /G₁; Т_крг =Т_{кр 0}

G_г+Т_к(1-G_г); Т_крф = Т_кро G₁ +Т_к(1-G₁);

G_г,G₁ -- относительные значения расходов воздуха в зону горения и в первичную зону.

Эта зависимость с помощью метода наименьших квадратов аппроксимируется следующей формулой (сплошная линия на рис. 3):

_отн=0,4655_отн ⁴-1,9069_отн ³+3,1369_отн ²-2,7377_отн+1,1913 (4)

Рис. 3. Изменение относительных значений критической температуры _отн от безразмерных значений коэффициента избытка воздуха _отн

С использованием данной зависимости были рассчитаны значения _г для всех рассмотренных вариантов камеры сгорания. При этом принималось также, что при _к 1,7, Т_кр=Т_{кр 0}=1400 К, величина Т_{кр 0} сохранялась постоянной при изменении значений Т_к и несколько уменьшалась с ростом давления:

Т_{кр 0} 1400/р_к ^0,04, где р_к=р_к/10⁵.

На рис. 4 полученные расчетные кривые сопоставлены с экспериментальными данными. Соответствие результатов расчета и эксперимента можно считать удовлетворительным с учетом приближенности принятых допущений. Полученная зависимость (4) может быть использована при оценке значений _г в камерах сгорания, близких по конструкции к исследованным.



Рис. 4. Изменение значений г в зависимости от коэффициента избытка воздуха. (а) - жаровая труба 4,1; (б) - 4,2; (в) - 4,3; ^ -- Т_к 353 K, G_в 0.72 кг/с, р_к = 0,1 МПа; р - - - - - Т_к 528 K, G_в 0,66 кг/с, р_к = 0,1 МПа;(г) - 4,3; о -- Т_к 373 K, G_в 0.5 кг/с, р_к = 0,1 МПа; - - - - - Т_к 373 K, G_в 2 кг/с, р_к = 0,4 МПа

Третья глава. Для построения полуэмпирической модели срывных характеристик при обеднении смеси были использованы результаты, полученные при экспериментальных исследованиях четырехгорелочного (см. главу 2) и трехгорелочного отсеков кольцевой камеры сгорания, имеющих одинаковую конструкцию фронтовых устройств (см. рис. 1). Трехгорелочный отсек представлял собой модель зоны горения, так как в нем отсутствовали отверстия для подвода смесительного воздуха и система охлаждения во второй половине жаровой трубы. Изменялись размеры завихрителей и отверстий для подвода вторичного воздуха.

Эксперименты проводились при значениях температуры воздуха на входе Т_к = (350...370)K и при близких к атмосферному значениях давления.

Стабилизация горения в камере при обеднении смеси обеспечивается устойчивым протеканием химических реакций горения в части циркуляционной зоны (назовем её зоной стабилизации), расположенной за фронтовым устройством. В работе зона стабилизации рассматривается как гомогенный реактор. Срывные характеристики гомогенного реактора при обеднении смеси были рассчитаны и аппроксимированы формулой вида:

б_max = 1,8 - А(LоgK_р - В),

параметр форсирования реактора; G_рм - расход воздуха через реактор, кмоль/с; V_р - объем реактора, мі;

р = р/10⁵.

При определении К_р предполагалось, что расход воздуха через зону стабилизации (реактор) пропорционален расходу воздуха через фронтовое устройство G_рм F_{фр 1} G_вг/29; объем зоны стабилизации пропорционален объему первичной зоны V₁ и отношению площади завихрителей (F_зн), рассчитанной по их наружным диаметрам (d_н) к площади миделя первичной зоны(F_{ж 1}),

V_p V₁ F_зн/F_{ж 1,}

F_{фр 1} = F_фр / F_o1; G_вг,

F_o1 -- расход воздуха и суммарная площадь отверстий в зоне горения; F_фр -- площадь фронтового устройства.

В результате анализа экспериментальных данных по срывным характеристикам была получена формула для определения значений коэффициента избытка воздуха б_maxфр в зоне стабилизации при срыве процесса горения:

_{max фр} = 1,8-2(0,47 + 0,06 0,01(Т_к ^- 200))(LоgK_p - 1,4(0,2 + 0,275 0,01 (Т_к ^- -200))),

Lоg k_c = 1,14-4,72F_{фр 1.}

.

Коэффициент избытка воздуха для всей камеры сгорания _кmax определяется следующим образом:

_кmax=_maxфрk_т/F_фр,

где k_т - эмпирический коэффициент, учитывающий качество смесеобразования, турбореактивный сгорание устойчивость срывная

F_фр= F_фр/F_o,

F_o - суммарная площадь отверстий в стенках жаровой трубы.

Было установлено, что величина k_т зависит от средней скорости течения в зоне горения С_жх и температуры воздуха на входе в камеру сгорания:

k_т = (0,07 + 0,017 (Т_к / 100-3,5)) С_жх

С_жх < 14-2,35 (Т_к / 100-3,5);

иначе k_т = 1. (5)

С_жх = G_вг / (F_{ж 1}._жх);

G_вг -- расход воздуха, поступающего через фронтовое устройство и первый пояс основных отверстий

G_вг G_вF_ог / F_о;

F_{ж 1} - площадь поперечного сечения жаровой трубы в первичной зоне;

_жх - плотность воздуха, рассчитанные по температуре воздуха на входе в камеру сгорания Т_к и по давлению в жаровой трубе.

Рис. 5. Срывные характеристики четырех горелочного отсека р_к=10⁵ Па: a) Т_к=353 К; б) Т_к=523 К

В качестве примера на рис. 5 представлены срывные характеристики 4-х горелочного отсека, полученные экспериментально и рассчитанные по приведенным формулам.

Для оценки значений коэффициентов избытка воздуха при срыве горения при обогащении смеси б_min была использована имеющаяся в литературе обобщенная зависимость, полученная для трубчатых камер сгорания. Эта зависимость была модифицирована таким образом, чтобы средние скорости газа в обоих камерах были близки (близки суммарные площади поперечных сечений жаровых труб), а диаметр жаровой трубы "эквивалентной" трубчатой камеры (d_ж) был близок к высоте сечения h_ж кольцевой жаровой трубы. В результате была получена следующая формула:

Четветая глава. На основе результатов, изложенных в главах 2 и 3 были разработаны математические модели полнотных и срывных характеристик камеры сгорания ГТД.

С целью обеспечения большей общности результатов и удобства расчетов в моделях используются, в основном, относительные значения конструктивных параметров, не связанные с абсолютными размерами камеры сгорания, и газодинамические параметры потока на входе в камеру, которые могут быть определены из термо-газодинамических расчетов и не зависят от конструкции и размерности двигателя.

Так в алгоритмах используется относительный объем жаровой трубыV_к = V_к/F_к, который может быть определен через величину удельной теплонапряженности камеры Q_vp или условного времени пребывания смеси в жаровой трубе _к на расчетном (обычно взлетном) режиме двигателя:

.

Параметр форсирования камеры К_V сгорания также может быть выражен через те же параметры:

В остальном конструкция камеры сгорания определяется принятыми значениями относительных параметров, основная часть которых обозначена на рис. 1: ,,,,,,,, f, ,,,,, и величины h_к, параметры режима р_к, Т_к, _к, _к.

Полученные алгоритмы расчета позволяют проанализировать влияние изменения отдельных параметров камеры сгорания на полноту сгорания топлива и диапазон устойчивого горения при сохранении остальных параметров неизменными. Варьирование параметров производилось в пределах, характерных для современных двигателей и близких к параметрам камер, на обобщении результатов исследования которых базируются представленные алгоритмы расчетов.

Полученные результаты согласуются с известными из практики разработки и испытаний тенденциями влияния конструктивных параметров камер сгорания на их характеристики, что свидетельствует о достаточно адекватном отображении в разработанных алгоритмах основных особенностей рабочего процесса камер сгорания, исследованной конструкции, и о возможности применения данных алгоритмов для предварительной оценки полнотных и срывных характеристик при проектировании и исследовании камер сгорания и двигателей.

Пятая глава. В составе ГТД камера сгорания работает в различных условиях в зависимости от параметров рабочего процесса двигателя и условий его эксплуатации.

Для определения параметров потока на входе в камеру (р_к, Т_к, _к) и температуры газа на выходе Т_г использовались альбом характеристик компрессоров ТРД и программы расчета характеристик двигателей, разработанные на кафедре 201 МАИ. По полученным значениям р_к, Т_к, Т_г и л_к методом последовательных приближений определялись значения б_к и з_г. При расчетах значений з_г использовался алгоритм, изложенный в главе 4, а значения _к определялись по методике Я.Т. Ильичева.

Основное внимание уделялось анализу работы камеры сгорания в условиях М_п = 0, Н =0, так как в этом случае в эксплуатации реализуются все режимы работы двигателя от малого газа до максимального режима, и условия работы камеры сгорания изменяются в широких пределах.

Были выполнены также расчеты для режимов, соответствующих высотным полетам с небольшой скоростью (принимаюсь, что М_п = 0,5), так как эти режимы являются наиболее неблагоприятными для работы камеры сгорания.

Рассматривались двигатели, имеющие различные значения степеней двуконтурности m₀ и сжатия _{к 0}. Величина температуры газа Т_{г 0} на расчетном режиме принималась равной 1500 К или 1600 К. Расчеты показали, что ее изменении в пределах 1300...1700 К практически не влияет на получаемые результаты.

При дросселировании двигателя, величины давления р_к и температуры Т_к воздуха на входе в камеру сгорания снижаются, а значения _к повышаются.

Можно отметить, что повышение значений _к при снижений Р_отн для двухконтурных двигателей происходит несколько в меньшей степени, чем для одноконтурных. Так при Р_отн=0,2, _к/_{к 0} " 2 для ТРДД и 2,5 для ТРД.

Указанные изменения параметров рабочего процесса при дросселировании двигателей приводит к уменьшению полноты сгорания топлива и диапазона устойчивого горения в камере сгорания (снижению значений _max и повышению _min). Однако, чем выше величина исходной степени сжатия, тем лучше характеристики камеры сгорания и тем меньше они изменяются при дросселировании двигателя (см. рис. 6).

Уменьшение удельной теплонапряженности камеры сгорания (при прочих равных условиях увеличение ее объема) также приводит к улучшению ее характеристик.

При достаточно больших расчетных значениях степени сжатия в компрессоре (_{к 0} 20...25) и умеренной теплонапряженности камеры сгорания (Q_vp ? 2000 кДж/(м ³Па час)) высокая полнота сгорания топлива (_г " 1) может быть обеспечена в земных условиях практически на всех режимах работы двигателя. Это является важным также для выполнения требований по снижению выбросов СО и С_хН_у из двигателей.

С ростом высоты полета будет происходить снижения температуры и давления воздуха на входе в камеру сгорания, а с ростом скорости полет (М_п) эти параметры будут повышаться. Соответствующим образом будут изменяться и характеристики камеры сгорания.

С увеличением высоты полета происходит сужение диапазона устойчивого горения. Особенно заметно снижаются значения _max. Так при Р_отн=0,2 значении _max уменьшаются от 28 на высота Н=0 до _max= 9 на высоте Н=15 км (ТРД М_п=0,5; _{к 0}=15; Т_{г 0}=1500 К; Q_vp = 4000 кДж/(м ³Па час)).

Рис. 6. Изменение значений _г в зависимости от Р_отн при различных величина Q_vp. - - - - - Q_vp =4000; - - - Q_vp =2000 кДж/(м ³Па час)

На переходных режимах условия работы камеры сгорания характеризуются более широким изменением коэффициента избытка воздуха по сравнению с установившимися режимами. Это может привести к срыву горения в камере. Особенно опасным с этой точки зрения является режим "сброса газа" (уменьшения тяги).

В первом приближении можно считать, что при резком уменьшении подачи топлива (увеличении значений б_к) частота вращения ротора сохраняется постоянной, и рабочая точка двигателя смещается вниз от линии рабочих режимов по напорной ветви характеристики компрессора вниз. При этом будут уменьшаться значения температуры газа Т_г и степень сжатия воздуха в компрессоре р'_к. Более отчетливо эта закономерность проявляется, если использовать относительные значения параметров (см. рис. 7)

_отн=_к/_ку, _отн=_к/_ку

_ку, _ку - значения _к и _к, соответствующие линии рабочих режимов при заданной величинеn_пр.

Рис. 7. Изменение значений _отн в зависимости от _отн. М_п=0,5; Н=0; _{к 0} =15; Т_{г 0}=1500 К; m=0. - - - - - - - n_пр=1, _ку =15, _ку =2,7; - - - - - n_пр=0,8, _ку =5,7, _ку =6,9

Как видно (см. рис. 7), с ростом _отн значение _отн сначала круто уменьшаются, (до _отн "2,5...3), а затем изменение _отн становится весьма пологим. Соответственно _отн будет изменяться и тяга двигателя. Например, по приблизительным оценкам, при росте _отн от 1 до 2,5...3 тяга двигателя уменьшается на 25...35 %. Дальнейшее увеличение _отн в 2 раза приводит к снижению тяги всего на 7...8 %. Таким образом чрезмерное снижение расхода топлива (увеличение _отн сверх 2,0....2,5) может привести к срыву процесса горения без заметного снижения тяги двигателя, и поэтому является нецелесообразным.

Снижение величин _г, которое может иметь место при сбросе оборотов на больших высотах полета не будет оказывать существенного влияния на работу двигателя, так как переходные режимы кратковременны, а регулируется двигатель, как правило, по фактической температуре газа.

При приемистости рабочая точка в предельном случае будет располагаться на границе помпажа. Расчеты при Н = 15км и М = 0,5 показали, что во всем диапазоне изменения n_пр даже при этих неблагоприятных условиях для работы камеры значения з_г достаточно велики (з_г > 0,8) для обеспечения требуемого подогрева газа (ограничения по температуре не рассматривались). Угроза "богатого" срыва горения при этом отсутствует, так как значения _к =1.8...1,9 превышают _min (_min =1,0...1,2). Таким образом, можно считать, что характеристики камеры сгорания в состоянии обеспечить процесс приемистости практически во всем рассмотренном диапазоне высот и скоростей полета.

Приведенные данные показывают, что при разработке камеры сгорания для обоснованного выбора ее конструктивных параметров (например, объема жаровой трубы) и режимов испытаний необходим анализ условий ее работы в составе двигателя, которые зависят от его параметров рабочего процесса и условий эксплуатации.

ВЫВОДЫ

1. Впервые на основе учета неравномерности полей температур газа в выходном сечении получены полуэмпирические зависимости, позволяющие определять характеристики камеры сгорания современного типа по полноте сгорания топлива (полнотные характеристики) в зависимости от значений коэффициента избытка воздуха в камере и параметров потока на входе.

2. Для этого же типа камер сгорания получены полуэмпирические зависимости для определения срывных характеристик.

3. На основе полученных данных разработаны полуэмпирические математические модели полнотных и срывных характеристик, в которых используются относительные параметры, не связанные с конкретной размерностью камеры.

4. В результате расчетного анализа установлено, что данные модели адекватно отражают известные из практики исследования камер сгорания закономерности влияния параметров камеры сгорания на её полнотные и срывные характеристики.

5. Впервые выполненный анализ характеристик камеры при работе ее в составе газотурбинного двигателя показал, что:

а) при дросселировании двигателя, а также при увеличении высоты полета может происходить снижение полноты сгорания топлива и диапазона устойчивого горения в камере, главным образом, вследствие уменьшения значений давления и температуры воздуха за компрессором;

б) при увеличении расчетной степени сжатия воздуха в компрессоре _{к 0} и снижении теплонапряженности камеры сгорания увеличивается полнота сгорания топлива и диапазон устойчивого горения в камере на всех эксплуатационных режимах работы двигателя; в частности, при _{к 0} 20...25 и при теплонапряженности камеры Q_vp 2000 (кДж/м ³.час) в условиях Н = 0, М_п = 0 значения _г, близкие к 1, могут быть обеспечены на всех режимах работы двигателя от малого газа до взлетного режима;

в) при "сбросе" оборотов для предотвращения "бедного" срыва горения мгновенные значения _к не должны превышать больше чем в 2,...2,5 раза величины _ку, соответствующие установившимся режимам; увеличение б_к сверх указанных значений практически не будет влиять на переходный процесс двигателя;

г) при приемистости во всем диапазоне n_пр в камере сгорания могут быть обеспечены требуемые подогревы газа и надежная устойчивость процесса горения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНЫ В РАБОТАХ

1. Агульник А.Б., Онищик И.И, Тин Маунг Хтай. Полуэмпирические модели полнотных и срывных характеристик камеры сгорания ГТД // Вестник МАИ. 2009. Т.16. №6. С. 74-81.

2. Агульник А.Б., Онищик И.И, Тин Маунг Хтай. Учет неравномерности температур газа в выходном сечении камер сгорания ГТД при обобщении их характеристик по полноте сгорания топлива // Авиационная техника. 2009. №1. С. 36-39. (Изв. высш. учеб. заведений).

3. Агульник А.Б., Онищик И.И, Тин Маунг Хтай. К обобщению характеристик по составу смеси камер сгорания ГТД. // Труды четвертый научно-практической конференции молодых ученых и специалистов "Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности", Москва, 2007 г. С. 368-373.

4. Тин Маунг Тхей. Обобщение срывных характеристик камеры сгорания ГТД // Тезисы докладов XIII Всероссийской Межвузовской научно-технический конференции "Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели". Москва, 2008 г. С. 112-113.

Размещено на Allbest.ru

...