Учебное пособие 1790

21

AЭ 2 RВХ rС

irВХ 2 RВХ RВХ rC

Если полученное значение Аэ отличается от геометрической характеристики А не более чем на 10%, то на этом расчѐт заканчивается. В противном случае, проводится расчѐт второго приближения, начиная с п.2, взяв за основу полученное значение Аэ. Находят новые значения , rc, Rвх и rвх и т.д.

7. По полученным в последнем приближении rc, Rвх и rвх определяют остальные размеры форсунки. При этом следует руководствоваться рекомендациями:

-высота камеры форсунки h >> Rвх;

-длина входных каналов lвх = (1,5 3,0)dвх;

-радиус камеры закрутки Rз = Rвх + rвх;

-длина сопла lc = (0,25 1,0)dc.

4.4. Особенности расчѐта двухкомпонентных форсунок с внешним смешением

Расчѐт форсунок такого типа сводится к расчѐту внутренней и наружной форсунок, рассматриваемых как самостоятельные центробежные форсунки. При этом радиус вихря наружной форсунки r должен быть больше наружного ра-

диуса корпуса внутренней форсунки Rкорп.вн., т.е. rm.нар > Rкорп.вн. Радиус вихря центробежной форсунки находится по формуле:

rm 1 rC

Величина берѐтся из графиков рис. 4.2 Если угол распыления нар наружной форсунки меньше, чем вн внутренней

форсунки, то обеспечивается лучшее перемешивание компонентов.

5.Внутреннее охлаждение плёночными завесами

5.1.Физические основы процесса и цели расчѐта

При использовании любого вида внутреннего (или защитного) охлаждения вблизи огневой оболочки камеры организуется пристеночный слой газа с пониженным соотношением компонентов (в случае избытка горючего) Кпс и, следовательно, пониженным значением температуры Тпс по сравнению с ядром потока. Действительно, соотношение компонентов в ядре потока Кяд, равное соотношению компонентов на головке камеры Кг (Кя = Кг) выбирается соответствующим максимальному значению удельного импульса тяги для данной топливной пары, и ему же соответствует значение температуры продуктов сгорания, близкое к максимальному. В результате, как следует из формулы закона Ньютона, конвективные тепловые потоки в стенку камеры падают:

где:

q – плотность теплового потока;

22

Г- коэффициент теплоотдачи от газа к стенке;

ТС.Г - температура поверхности стенки со стороны газа;

ТГ - температура газа, омывающего стенку.

Вслучае отсутствия внутреннего охлаждения Тг=Тя, при его наличии Тг=Тпс. Наличие внутреннего охлаждения всегда уменьшает экономичность камеры,

т.к. соотношение компонентов в пристеночном слое отлично от оптимального. Чем тоньше пристеночный слой, тем меньше потери. Достоинством плѐночных завес является то, что образуемый ими пристеночный слой весьма тонок и составляет несколько процентов от поперечного сечения камеры.

Величина g З является важным параметром системы охлаждения, так как оп-

ределяет концентрацию горючего к соотношению компонентов в пристеночном слое. Для современных камер сгорания g З =2 4%.

Наличие дополнительного расхода горючего mЗ в пристеночный слой через

кольцо завесы снижает среднекамерное соотношение компонентов по сравнению с Кг и оно может быть рассчитано по формуле (3.3).

Жидкая плѐнка горючего существует на длине 10-15 мм от кольца завесы. К концу этого участка горючее испаряется и можно считать, что в сечении конца существования жидкой плѐнки в пристеночном слое содержатся только пары горючего, т.е. в данном сечении Кпс = 0. В дальнейшем по ходу газового потока вследствие процессов диффузии (турбулентной и концентрационной) происходит перемешивание паров горючего в пристеночном слое с продуктами сгорания ядра потока, так что Кпс растѐт, приближаясь к значению Кк. При этом пристеночный слой не остаѐтся химически инертным газовым слоем; в нѐм протекают реакции горения, но при соотношении компонентов, отличном от Кя.

23

Цель расчѐта внутреннего охлаждения определяется видом расчѐта. При предварительном расчѐте необходимо для наиболее теплонапряжѐнных сечений камеры сгорания (критическое сечение и конец цилиндрической части) устано-

вить количественные зависимости К ПС f g З , на основании которых прини-

мается для данной камеры окончательное значение g З .

В случае поверочного или окончательного расчѐта для принятого значения g З определяется зависимость К ПС f x по всей длине камеры сгорания.

5.2. Некоторые конструктивные рекомендации.

Основным требованием, которое необходимо соблюдать при конструировании кольца завесы, является плавный безотрывный и без разбрызгивания вывод жидкой плѐнки горючего на стенку камеры. В противном случае завеса будет работать неэффективно. Возможные варианты конструктивного оформления колец завесы приведены в работах /1,2,3,4,5/.

Жидкая плѐнка не должна быть слишком толстой. Иначе она будет неустойчива по отношению к динамическому воздействию газового потока, может срываться со стенки, разбрызгиваться и уноситься в ядро потока, то есть в этом случае не будет создаваться защитный пристеночный слой. Критерием устойчивости жидкой плѐнки является величина удельного расхода жидкости на единицу длины окружности камеры в сечении организации завесы, которая, как показывает опыт, не должна превышать 10г/(см*с). Если это условие не выполняется, то жидкость следует подавать на стенку через два кольца (две щели), расположенные друг от друга на расстоянии существования жидкой плѐнки, т.е. на расстоянии 10 15мм.

Кольца завесы следует располагать, по возможности, ближе к тем сечениям камеры, которые нуждаются в защите (цилиндр камеры и критическое сечение). Кольцо завесы, защищающее цилиндр или кольцо завесы I обычно размещают у головки, но не ближе 50 мм от неѐ, так как в противном случае факелы распыла форсунок могут нарушать целостность жидкой плѐнки. Как правило, относительный расход через кольцо завесы:

g З.I =1 1,5%.

Кольцо завесы, защищающее критику или кольцо завесы II располагают в конце цилиндрической части камеры сгорания. Втягивать его в суживающуюся часть сопла не рекомендуется, так как здесь существенно возрастают скорости газового потока, а, следовательно, и их динамическое воздействие на жидкую плѐнку. Относительный расход через это кольцо завесы обычно находится в пределах

g З.II =2 2,5%.

5.3. Основные расчѐтные зависимости.

При проведении предварительного расчѐта охлаждения в первую очередь представляет интерес зависимость, связывающая величину расхода на завесу с коэффициентом соотношения компонентов в пристеночном слое в рассматриваемом сечении.

24

На основании решения уравнения диффузии /4/ можем быть предложена формула для определения относительной избыточной концентрации горючего в

пристенке С Г .ПС (по отношению к концентрации продуктов сгорания в ядре потока).

где:

DK - диаметр цилиндра камеры сгорания;

pK ,RK ,T K - давление, температура и газовая постоянная продуктов сгорания в камере;

- коэффициент диффузии, в среднем для камеры он равен

D

D =0,015 0,025м2/с, а для еѐ цилиндрической части D =0,03 0,04м2/с wK - скорость потока в камере сгорания;

x - расстояние по оси камеры от кольца завесы до рассчитываемого се-

При проведении поверочного расчѐта в работе /4/ предлагается считать, что в закритической части сопла концентрация горючего в пристеночном слое остаѐтся постоянной и равной еѐ значению в критическом сечении, т.е. при x>xкр:

СГ .ПС С Г .ПС КР

ав докритической части сопла С Г .ПС находится из соотношения:

где:

xКР - расстояние по оси от завесы до критического сечения камеры.

6.Наружное охлаждение

6.1.Протекание процессов, цели расчета.

Наружное охлаждение осуществляется за счет конвективной теплоотдачи от поверхности оболочки камеры к охлаждающему слою жидкости, протекающей в межрубашечном пространстве. В качестве охлаждающей жидкости используется один из компонентов топлива - обычно горючее, Интенсивность теплоотдачи в охладитель определяется величиной коэффициента теплоотдачи ж.

Величина коэффициента теплоотдачи может быть определена по одной из критериальных зависимостей для расчета при турбулентном течении жидкости

25

в каналах. В практике проектно-расчетных работ по камерам сгорания формулу

где:

Wж - скорость жидкости в межрубашечном пространстве, м/с;

dэ - эквивалентный диаметр каналов межрубашечного пространства, м;

Вт/м.град; Сж - удельная теплоемкость жидкости, ккал/кг.град или Дж/кг.град; ж- коэффициент динамической вязкости жидкости, кг.сек/м2;

-плотность жидкости кг/м3);

Zт=(Prж/Prc)0.25 коэффициент, учитывающий зависимость физических свойств жидкости и их влияние на теплоотдачу от изменения температуры в пограничном слое жидкости Pr = c / - число Прандтля, физсвойства жидкости, входящие в Рrж , определяются при среднемассовой температуре жидкости в данном сечении Тж, а в Рrс при температуре охлаждаемой поверхности оболочки

Тсж.

В практике расчѐтных работ для определения ж используется также формула, записанная в виде:

где:

mохл - суммарный расход компоненты охладителя;

Fж – суммараня площадь поперечного сечения каналов системы охлаждения в данном сечении камеры;

B – комплекс, объединяющий теплофизические свойства охладителя, определяемый экспериментально.

Данные по теплофизическим свойствам компонентов-охладителей, а также значения комплексов Zж и B приведены в приложениях.

Интенсивность наружного охлаждения должна бать такова, чтобы обеспечивался допустимый уровень температур для материала оболочки камеры сгорания при заданных параметрах пристеночного слоя со стороны газа (или при заданных тепловых потоках). Из формулы (6.1) видно, что величина ж при заданном виде охладителя зависит, в основном, от его скорости Wж.

Таким образом, предварительный расчет наружного охлаждения сводится к выбору геометрии каналов межрубашечного пространства, обеспечивающей необходимую интенсивность теплоотдачи.

Величина максимально допустимой температура оболочки камеры определяется видом материала, который использован для ее изготовления (жаростойкими свойствами материала). Для оболочек из хромистых бронз допустимая температура равна 800 - 850 К, а для оболочек из хромоникелевых сталей -1150- 1200 К. Максимальная температура оболочек имеет место на поверхности, омываемой

27

Достоинством рассмотренных паяных оболочек является их высокая прочность и жесткость. Кроме этого, наличие ребер (гофров) увеличивает поверхность, омываемую охладителем, и тем самым позволяет повысить теплоотдачу от оболочки в жидкость (по сравнению с гладкой стенкой). Этот эффект учиты-

Удельный тепловой поток от стенок камеры к охлаждающей жидкости при предельно-рекомендуемой скорости ее течения

Wж = 50 - 60 м/с) и температуре стенки, не превышающей предельнодопустимого для ее материала значения

(Тс.г = 800 - 1200 К), определяется величиной коэффициента теплопроводности материала стенки и ее толщиной с . Так при используемых в технике толщинах с, для оболочек из различных материалов могут быть реализованы следующие значения удельных потоков q :

q = (10 - 15) 106 Вт/м2

Поэтому в современных камерах, для которых характерны высокие значения потоков q, оболочка в наиболее теплонапряженной части (район критического сечения, суживающаяся часть сопла, цилиндрическая часть) выполняется из хромистых бронз, а расширяющаяся часть сопла, начиная с D = D / Dкp = 1,1-1,2, из хромоникелевых сталей, здесь возможно также применение титановых и других легких сплавов.

Основными конструктивными и геометрическими характеристиками охлаждающих каналов являются толщина оболочки (стенки) с, высота ребра или гофра h, толщина ребра или гофра р, шаг между ребрами или гофрами l. Их предельные или рекомендуемые значения определяются прочностными условиями, технологическими возможностями или условиями правильной организации процессов. Для современных камер характерны следующие значения упомянутых параметров:

1. Толщина стенки с

28

Для бронзовых оболочек в районе "критики" с=1,5 - 2,0 мм; на цилиндрической части камеры с целью удобства компоновки колец завесы может быть увеличена до 4-6 мм.

Для стальных оболочек с =0,8 - 1,2 мм. 2. Высота ребра (высота канала) h

Для фрезерованных оболочек h =1,8 - 5,0 мм. Нижний рекомендуемый предел определяется отсутствием запаев и засорения каналов, а верхний - технологическими возможностями изготовления.

Для гофров h=1,8-3,5мм. 3. Толщина ребра р .

Исходя из условий эффективности работы ребро должно быть возможно тонким. По условиям изготовления (отсутствие порезов) и пайки для фрезерованных ребер обычно

р= 1,0 - 1,2 мм, для гофров р = 0,5 -0,8 мм.

4. Шаг между ребрами l (ширина канала l- р ). Для фрезерованных каналов

l- р = 1,0 - 5,0 мм. Нижний предел определяется технологическими возможностями (минимальная ширина фрезы 1 мм, а верхний - прочностью (отсутствие прогибов оболочки под действием давления охладителя).

Для гофров l- р =1,8-5,0 мм. Важными геометрическими характеристиками межрубашечных каналов являются также их количество , площадь поперечного сечения (площадь для прохода охладителя) Fж и эквивалентный или гидравлический диаметр dэ . Для их расчета могут быть использованы следующие соотношения:

где:

D - внутренний диаметр камеры сгорания в данном сечении;

- угол между направлением каналов и осью камеры (рис.6.2) или угол "закрутки" каналов.

"Закрутка" каналов применяется тогда, когда при рекомендованных выше значениях h, l и р не удается обеспечить необходимую площадь Fж и скорость Wж. В этом случае растет гидравлическое сопротивление межрубашечных каналов.

Геометрические характеристики каналов изменяются по длине камеры сгорания, это является следствием изменения диаметра сопла D и необходимости обеспечить режимные, конструкционные и прочностные параметры (рис.6.2).

На рис.6.2 показана схема межрубашечных охлаждающих каналов типичная для современных камер сгорания, внутренняя оболочка имеет как бронзовую, так и стальную части; каналы выполнены путем фрезерования внутренней оболочки при постоянной толщине ребра.

Геометрия каналов (их число n или шаг l , высота h ) при заданной скорости охладителя Wж определяются для наиболее теплонапряженных сечений: критическое сечение и цилиндрическая часть для бронзового участка оболочки (на рис.6.2 сечения II и I соответственно) и сечение c минимальным значением диа-

29

метра проточной части для стальной части оболочки (на рис.6.2 сечение III). Определенную таким образом геометрию каналов технологически удобно распространить на прилегающие к характерным сечениям участки оболочки. Так бронзовая часть сопла камера, представленной на рис.6.2 имеет по всей своей длине одинаковое число каналов; при этом их шаг, естественно, изменяется. Цилиндрическая часть камеры которую иногда удобно изготовлять как отдельный кон- струкционно-технологический узел, характеризуется собственными значениями геометрических параметров каналов; на рис.6.2 каналы этой части камеры выполнены "закрученными".

На стальной части сопла, как правило, имеет место значительное возрастание диаметра проточной части, следовательно, значительно растет шаг каналов, и в определенном сечении он может достичь значений, недопустимых по прочности оболочки. В этом случае применяют "удвоение" ребер, как это показано на рис.6.2 (сечение IV). Такая же картина может иметь место и на суживающейся части сопла.

При проведении поверочного расчета охлаждения камеры удобно иметь график изменения геометрических параметров каналов, который отражает все указанные выше особенности.

Рис. 6.2.

30

7. Расчет тепловых потоков в камерах сгорания

Перенос тепла от продуктов сгорания к оболочке камеры осуществляется за счет процессов конвективного и лучистого теплообмена, так что суммарная плотность теплового потока равна:

q = qк + qл (7.1)

где qк и qл - конвективная и лучистая составляющие теплового потока соответственно.

7.1. Пересчетная методика определения конвективных тепловых потоков.

Существует несколько расчетных методов определения конвективных тепловых потоков в камерах сгорания. Наиболее простым и достаточно точным является пересчетный метод. На основании теории подобия установлено, что в сходственных сечениях двух геометрически подобных камер сгорания плотности конвективных тепловых потоков связаны соотношением:

где:

Pк - давление в камере сгорания; Dкр -диаметр критического сечения;

S - некоторый комплекс теплофизических свойств продуктов сгорания, зависящий от их состава и температуры охлаждаемой стенки Тс.г; для наиболее распространенных топлив значения комплекса S в виде графических зависимостей S=f(K,Tс.г.) приводятся в литературе, например в работе /1/.

Под сходственными сечениями камеры понимаются сечения c одинаковым значением относительного диаметра D = D/Dкр. Практически все цилиндрические камеры сгорания можно считать геометрически подобными.

В формуле (7.2) индексом "э" отмочены параметра, относящиеся к эталонной камере сгорания, для которой известно распределение конвективных потоков,

qк=f( D ) .

Таким образом, зависимость (7.2) связывает тепловые потоки двух различных камер, отличающихся геометрическими размерами, работающих на различных видах топлива и имеющих различные значения параметров внутрикамерных процессов.

В качестве эталонного распределения конвективных потоков можно использовать зависимость qк=f( D ) , приведенную на рис.7.1; там же даны значения параметров эталонной цилиндрической камеры сгорания.

7.2. Определение лучистых тепловых потоков.

Основной формулой для расчета лучистых потоков в цилиндрической части камеры является зависимость, основанная на законе Стефана-Больцмана:

где:

qлк - максимальное значение плотности лучистого потока (цилиндр каме-

ры);