- •А.А. Григорьев
- •ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
- •ВВЕДЕНИЕ
- •1. ПРИНЦИП РАБОТЫ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ (ТРД)
- •1.1. Преимущества ТРД перед поршневой СУ
- •1.2. Принцип создания тяги ТРД
- •1.3. Изменение параметров рабочего тела и превращения энергии по тракту ТРД
- •1.4. Основные параметры ТРД
- •2.2. Идеальный цикл ТРД
- •3. РЕАЛЬНЫЕ (ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЕ) ЦИКЛЫ ВРД
- •3.1. Процессы в действительном цикле
- •3.2. Работа действительного цикла ТРД
- •3.3. Эффективный КПД ТРД
- •3.4. Тяговый (полетный) КПД ТРД
- •3.5. Полный (экономический) КПД
- •Контрольные вопросы
- •Задачи
- •4. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОСЕВЫХ КОМПРЕССОРАХ
- •4.1. Назначение компрессоров и требования, предъявляемые к ним
- •4.2. Основные параметры ОК
- •4.3. Характеристики OK (ХК)
- •Контрольные вопросы
- •5.1. Назначение, классификация и требования к ВЗ ВРД
- •5.3. Дозвуковые воздухозаборники (ДВЗ)
- •5.4. Формы дозвуковых диффузоров
- •Контрольные вопросы
- •Задача
- •6. ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ В ОСНОВНЫХ КАМЕРАХ СГОРАНИЯ (КС) ВРД
- •6.5. Топливные форсунки, применяемые в КС ВРД
- •6.6. Потери полного давления в КС
- •6.7. Эксплуатационные характеристики КС
- •Контрольные вопросы
- •7. ВЫХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА (ВУ) ВРД
- •7.1. Назначение, состав и требования к ВУ ВРД
- •7.2. Реактивное сопло
- •Контрольные вопросы
- •ОСНОВЫ РАСЧЕТА ТРД
- •8.4. Понятие о свободной энергии ВРД
- •8.5. Основы газодинамического расчета ВРД
- •9.3. Влияние различных факторов на положение ЛСР
- •9.4. Особенности совместной работы ОК и ГТ на неустановившихся режимах
- •9.5. Номенклатура основных режимов работы ТРД
- •Задача
- •10. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРД
- •10.1. Термодинамические основы регулирования ТРД
- •10.2. Типы характеристик ТРД и их назначение
- •10.3. Методы получения ЭХ
- •Контрольные вопросы
- •12. ДВУХКОНТУРНЫЕ ТРД (ТРДД)
- •12.1. Схемы ТРДД и их основные параметры
- •12.2. Газодинамические преимущества ТРДД перед ТРД
- •12.5. Особенности законов регулирования ТРДД
- •12.6. Особенности характеристик ТРДД
- •Контрольные вопросы
- •13. ТУРБОВАЛЬНЫЕ (ТВАД), ТУРБОВИНТОВЫЕ (ТВД)
- •13.1. Принцип действия ГВаД и ТВД
- •13.2. Схемы ТВД и ТВаД
- •13.3. Основные параметры ТВД
- •13.5. Совместная работа узлов ТВД
- •13.6. Дроссельные характеристики ТВД и ТВаД
- •13.7. Климатические характеристики ТВаД
- •13.8. Высотно-скоростные характеристики ТВД и ТВаД
- •Контрольные вопросы
- •14.2. Рабочий процесс в форсажных камерах
- •14.3. Понятие о неустойчивых режимах горения
- •14.4. Особенности эксплуатационных характеристик ТРДФ
- •Контрольные вопросы
- •БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
- •ГРИГОРЬЕВ Андрей Алексеевич
СВЗ в области а вх тах с максимальным запасом устойчивости по
«помпажу» и «зуду». Это особенно актуально для военных ма невренных самолетов.
Контрольные вопросы
1.Назначение и основные параметры воздухозаборников.
2.Основные требования к воздухозаборникам и их класси фикация.
3.Изобразить схему и пояснить работу дозвукового возду хозаборника на расчетном режиме.
4.Изобразить схему и пояснить работу сверхзвукового нерегулируемого воздухозаборника на расчетном режиме.
5.Изобразить схемы и пояснить работу сверхзвукового нерегулируемого воздухозаборника на расчетном режиме.
6.Изобразить схемы и пояснить работу сверхзвукового нерегулируемого воздухозаборника на неустойчивых режимах.
7.Изобразить дроссельные характеристики и объяснить ха рактер изменения критериев эффективности при изменении час тоты вращения ротора.
8.Изобразить скоростные характеристики и объяснить ха рактер изменения критериев эффективности при изменении ско рости полета.
9.Задачи и способы регулирования сверхзвуковых возду хозаборников
Задача
Определить площадь входного сечения F0 и длину кониче
ского дозвукового воздухозаборника, если потребный расход воздуха через двигатель Л/дв = 60 кг/с, скорость и плотность воз духа на входе в двигатель соответственно свх = 170 м/с, рвх =
= 0,882 кг/м3, угол уширения диффузора у = 8°, относительная
площадь входа F0/F BX= 0,8.
6. ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ В ОСНОВНЫХ КАМЕРАХ СГОРАНИЯ (КС) ВРД
6.1.Назначение камер сгорания ВРД
итребования к ним
Камера сгорания (КС) ВРД предназначена для повышения
температуры рабочего тела (воздуха) от 7К1 до 7Г, путем сжига
ния в нем горючего.
От устойчивой работы КС зависит устойчивая работа п экономичность ВРД в целом.
Требования, предъявляемые к КС
1.Устойчивое горение топлива в широком диапазоне со ставов топливно-воздушной смеси (ТВС), давления, температур
искоростей, поступающего в КС воздуха, при изменении режи мов полета ( М, Н ) и режима работы двигателя ( п ).
2.Высокая полнота сгорания топлива. При этом обеспечи
вается лучшая экономичность, отсутствие догорания топлива
вГГ, уменьшение выбросов вредных веществ из ВРД.
3.Надежное воспламенение топлива (независимо от внеш них условий). Это позволяет обеспечить надежный запуск дви
гателя во всем диапазоне Т1{ и М 4. Высокая теплонапряженность:
Q KC “ |
Лг^тНи |
(6.1) |
|
VKCPI ’
где Г|( - коэффициент полноты сгорания топлива в КС; VKC - рабочий объем КС; Ни - теплотворная способность топлива.
Увеличение QKC позволяет уменьшить габариты и мас су КС.
(2ксЛ“ (40...50) ккал/м2 что в (10... 15) раз выше, чем
QKC паровозной топки.
5.Минимальные гидравлические потери полного давления
вКС. Эго способствует снижению суммарных потерь полного
давления в КС, оцениваемых коэффициентом восстановления
полного давления - °КС “ Рг / Рк 6. Обеспечение заданного и стабильного поля температур
на выходе из КС Поле температур в радиальном направлении характеризу
ется пониженной температурой во втулочном и периферийном сечениях и определяется предельно допустимыми напряжения ми в рабочих лопатках турбины.
7. Высокая жаропрочность и жаростойкость элементов КС, их надежное охлаждение. Это позволяет повысить эффектив ность и ресурс двигателя.
8.Отсутствие нагарообразования и дымления.
9.Высокая надежность, большой ресурс, производственная
иэксплуатационная технологичность.
6.2.Основные понятия о процессе горения
вКС ВРД
6.2.1.Основные закономерности горения топлива в КС
ВВРД процесс подвода тепла к рабочему телу (воздуху) осуществляется в основной и форсажной КС, и представляет со бой процесс сгорания топлива в воздухе.
В ВРД окислителем является кислород, содержащийся
ввоздухе, а горючим - органические вещества.
Всовременных авиационных ВРД применяются углеводо родные топлива на основе нефти - керосин (авиационные ВРД) или топливный газ (ВРД наземного применения).
Процесс сгорания топлива - это совокупность химических реакций окисления, приводящих к превращению химической энергии топлива в тепловую энергию, а самого топлива в газо образные вещества (продукты сгорания).
Протекание процесса горения в КС ВРД и параметры про дуктов сгорания (ПС) в значительной мере зависят от состава ТВС (соотношения горючего и окислителя).
Основными продуктами сгорания углеводородного топлива являются углекислый газ С 0 2 и водяной пар Н 20
Реакции полного окисления углерода и водорода:
1.С + О2 = С 02 + Q (тепло);
2.4 Н + 0 2 = 2Н20 + Q (тепло).
Наименьшее количество окислителя (воздуха), потребное
для полного сгорания 1 кг горючего, |
. |
|
LQ = |
14,7 кг - для авиационного керосина, |
|
LQ ~ |
17 кг - для топливного газа. |
|
Соотношение окислителя и горючего, при котором они полностью прореагируют при горении, называется «стехиомет рическим» или теоретическим. То есть 14,7 кг воздуха плюс I кг керосина - стехиометрическое соотношение ТВС для керосина.
При таком соотношении температура продуктов сгорания
имеет максимальное значение (7^* )•
В реальном ВРД к 1 кг горючего подводится L кг воздуха. Соотношение воздуха и топлива в ТВС оценивается с помощью
коэффициента: |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
а = L/l^ - коэффициент избытка воздуха в ТВС. |
|
||||||||
|
При |
L = |
а =1 |
- |
ТВС теоретическая |
(стехиометриче |
||||
ская). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При |
L < LQ => а < 1 |
- |
ТВС богатая (избыток горючего или |
||||||
недостаток воздуха). |
|
|
|
|
|
|
||||
|
При |
L>Zi)= > a> l |
- |
ТВС бедная (избыток воздуха |
или |
|||||
недостаток горючего). |
|
|
|
|
|
|||||
|
Полное сгорание горючего возможно при |
а > 1 . В реаль |
||||||||
ных ВРД величина а |
значительно выше (сх = 3...5). |
|
||||||||
|
При стехиометрическом соотношении окислителя и горю |
|||||||||
чего - |
Г ^ х (рис. 6.1). |
|
|
|
|
|
|
|||
|
При избытке одного из компонентов ТВС не прореагиро |
|||||||||
вавшая |
|
часть |
избыточного |
компонента |
охлаждает |
ПС |
||||
( Т |
< |
т ,г,;‘М |
|
|
|
|
|
|
|
|
{1 |
пс ^ |
1пс )• |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При |
^ п с ^ п с |
(Т ^ п |
- |
температура активации) горение |
становится невозможным, и происходит срыв пламени по бога той или бедной смеси.
Рис. 6.1. Зависимость Т ^ с ( а )
В реальных КС ВРД обычно ТВС - бедная ( а » 1 ) . Значе
ние а находится в зоне невозможного горения (см. рис. 6.1). Поэтому приходится применять конструктивные решения
для организации процесса устойчивого горения.
Теплотворность (теплотворная |
|
||
способность) ТВС |
На - это коли |
|
|
чество тепла, |
выделяющегося при |
|
|
сгорании 1 кг ТВС. |
|
|
|
При а = J |
# а = Н атм(Т™') |
|
|
- максимальная |
теплотворность |
|
|
(рис. 6.2). |
|
|
Рис. 6.2. Зависимость |
При |
а > 1=>l На(sL Тпс) |
||
вследствие того, что тепло от сго |
"<*(«) |
ревшего топлива нагревает дополнительную массу не прореаги ровавшего воздуха.
При а<1=>-1 На(Х Тис) вследствие того, что не прореаги ровавшее горючее в ТВС охлаждает ПС.
Количество не прореагировавшего топлива в КС оценива
ется с помощью |
коэффициента полноты сгорания |
топлива |
|
Л, -Q/Qi) >где Q |
- количество тепла, реально |
выделившееся |
|
в КС при сгорании одного килограмма топлива; |
Q0 - |
количест |
во тепла, которое выделилось бы при полном сгорании одного килограмма топлива.
6.2.2. Топлива, применяемые в ВРД
Требования к топливам авиационных ВРД:
1. Высокая теплотворность (количество тепла, выделяю щееся при полном сгорании 1 кг топлива):
Н„= (43100...43900) кДж/кг или (10300... 10500) кал/кг - весовая теплотворность (авиационный керосин);
Нп= 8600 кал/кг - объемная теплотворность (авиацион
ный керосин).
2. Низкая температура начала кристаллизации (менее
-60° С ).
3.Высокие антикоррозионные свойства.
4.Отсутствие нагарообразования.
5.Большой срок хранения.
6.Отсутствие воды и механических примесей.
7. Широкий эксплуатационный диапазон температур
идавлений.
8.Хорошие пусковые свойства.
9.Высокая плотность.
Наиболее удовлетворяет этим требованиям авиационный керосин:
Т-1; ТС-1 - продукты прямой перегонки нефти (наилучшие топлива для ВРД);
Т-2 - продукт прямой перегонки нефти, имеет более низ кую чем Т-1 и ТС-1 плотность и теплотворную способность, а также более высокую коррозионную активность при лучших пусковые свойствах (выше испаряемость).
ДЛЯ Т-1 —LQ= 14,6 КГ00зд/К1 топл? ТС-1 —LQ= 14,7 КГВо'иД^толл» Т-2 — —14,9 кг0О1Д/кгтоп:
Теплотворность для T-lr ТС-1, Т-2 - Н и = (42900...
43300) кДж/кг.
В ТВаД наземного применения в качестве топлива исполь зуют природный (топливный) газ с ^ = (16,7... 17) кгоозд/кгтопл
иН„ «49,3-10б кДж/кг.
6.3.Типы КС и их краткая характеристика
Вкачестве основных КС в ВРД применяются:
1)индивидуальные (трубчатые) КС;
2)трубчато-кольцевые КС;
3)кольцевые КС.
6.3.1.Индивидуальная КС (ИКС)
ИКС - автономная КС с собственной теплоизоляцией (рис. 6.3). Состоит из: жаровой трубы 7; корпуса 2; воспламени
теля |
пламеперебрасывающего патрубка 4\ топливной фор |
сунки 5. |
|
Обычно несколько ИКС со единяют в связку.
Преимущества ИКС:
-удобны в доводке;
-удобны в монтаже и замене;
-относительно просты.
Недостатки ИКС:
-высокая неравномерность температурного поля и поля ско ростей на выходе из связки ИКС;
-нерациональное использование объема двигателя;
-большие гидравлические потери;
-сложность уплотнения и теплоизоляции пламеперебрасывающих патрубков.
6.3.2.Трубчато-кольцевая КС
Трубчато-кольцевая КС (рис. 6.4) состоит из нескольких жаровых труб /, соединенных пламеперебрасывающими патруб ками 4 и имеющих общий корпус: внутренний б, наружный 2.
Рис. 6.4. Трубчато-кольцевая
КС
Преимущества:
-более равномерные (чем
уИКС) поля скоростей и температур на выходе из КС;
-пламеперебрасывающие патрубки не требуют герметиза
ции и теплоизоляции;
-меньшие (чем в ИКС) гид равлические потери;
-меньшие (чем у ИКС) га бариты.
Недостатки:
-сложность в доводке, изго товлении и замене жаровых труб.
6.3.3. Кольцевая КС
Кольцевая КС (рис. 6.5) представляет собой кольцевую жа ровую трубу 1 с определенным количеством горелок с форсун ками 5, размещенную в кольцевом кожухе: внутренний 6, на ружный 2.
|
Преимущества: |
|
|
|
|
- |
равномерное |
поле |
скоро |
|
стей |
и температур |
на |
выходе |
|
из КС; |
|
|
|
|
- |
минимальные потери теп |
||
|
ла через стенки, так как их сум |
|||
|
марная площадь минимальна; |
|||
|
- минимальные |
гидравли |
||
|
ческие потери; |
|
|
|
|
- отсутствует |
необходи |
||
Рис. 6.5. Кольцевая КС |
мость в пламеперебрасывающих |
|||
|
патрубках; |
|
|
-минимальный относительный объем.
Недостатки:
-меньшая жесткость (возможность коробления при нерав номерном нагреве);
-сложность в доводке;
-сложность в изготовлении и замене.
6.4. Организация процесса горения в КС ГТД
При организации горения необходимо учитывать следую щие факторы:
- коэффициент избытка воздуха в КС ВРД - а = 3.. .5, а го рение возможно при а = 0,4.. .1,7 ;
- максимально допустимая температура газа на входе в ГТ (на выходе из КС) ограничена прочностью рабочих лопаток ГТ
и равна примерно Т*= (1650...1700) К, а температура ПС
Г,7Х- (2200...2600) К; - скорость потока воздуха на входе в КС достигает при
мерно ск = (150...200) м/с, что значительно выше скорости распространения пламени - сгоремия = (10... 15) м/с.
Из вышеотмеченного следует, что если не принять специ альных конструктивных мер, то горение в КС ВРД будет невоз можно.
6.4.1. Мероприятия по организации устойчивого горения в КС ВРД54321
1. Ступенчатый подвод воздуха к топливу и продуктам сго рания, за счет чего первоначально создается необходимое обо гащение ТВС в зоне горения ( а = 0,8... 1,0), а затем обеднение
ТВС, приводящее к прекращению горения и снижению Т* на выходе из КС до заданного значения.
2. Предварительное торможение потока в диффузоре перед входом в жаровую трубу (ЖТ) до скорости - ск= (50.. .80) м /с .
3. Стабилизация пламени за счет создания зоны обратных токов, заполненной горячими ПС, непрерывно поджигающими «свежую» ТВС.
6.4.2.Этапы рабочего процесса в КС
1.Распыление форсунками топлива.
2.Смешение топлива с воздухом и испарение.
3.Воспламенение.
4.Химическая реакция окисления (горение).
5.Прекращение горения и охлаждение ПС.
Особенности реализации этапов рабочего процесса:
- подача и распыл топлива в жаровой трубе осуществляется через форсунку с перепадом давлений Д/?ф не менее
(30 ...50) кгс/см2,
-конус распыла перекрывает поперечное сечение ЖТ, что позволяет получать капли диаметром - (20... 100) мкм ;
-при образовании ТВС капли топлива испаряются и пере мешиваются с воздухом, так как горение топлива возможно только в паровой фазе;
-воздух, подаваемый в КС делится на два потока (рис. 6.6): первичный и вторичный.
Рис. 6.6. Организация процесса горения в жаровой трубе КС
Первичный - M Bl —(25...50) % от всего М д поступает
непосредственно в зону горения, где образуется богатая смесь
(а = 0,8... 1,0) и зона устойчивого горения |
с температурой |
Тис = |
|
= (2300...2500) К |
и средней скоростью |
потока газа |
спс = |
= (50...80) м/с. |
|
|
|
Вторичный - |
М а2 —(75...25) % от всего М в охлаждает |
||
жаровую трубу, протекая между стенкой |
ЖТ и корпусом |
КС, |
ипоступает в ЖТ через задние ряды отверстий. Смешиваясь
сгорячими газами из зоны горения, вторичный воздух снижает
те]Мпературу Тпс до заданного значения Т* Задняя часть ЖТ, где происходит смешение первичного
и вторичного потоков называется «зоной смешения». Вследст вие снижения Тпс и увеличения а в «зоне смешения» горение
практически прекращается, и не прореагировавшее топливо в ГТ не догорает.
Для обеспечения стабильного горения и повышения полно ты сгорания (Т г|г ) в передней части ЖТ с помощью фронтовых
устройств (ФУ) создается «зона обратных токов» (ЗОТ) (рис. 6.7).
Рис. 6.7. Тины фронтовых устройств ЖТ: а - лопаточное, б - щелевое
Типы фронтовых устройств:
-лопаточное ФУ (см. рис. 6.7, а) хорошо перемешивает воздух, но создает высокое гидравлическое сопротивление;
- щелевое ФУ (рис. 6.7, б) позволяет уменьшить гидравличе ское сопротивление при приемлемом качестве перемешивания.