Теория расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетичес.-1

Предварительное смешение топлива и воздуха внутри дежурной зоны осуществляется двумя радиальными, последовательно расположенными завихрителями 5, 4. В канале каждого завихрителя имеется по шесть точек впрыска топлива 7 – природного газа. Завихрители имеют противоположные направления закрутки. Смесительный канал основной зоны представляет собой кольцевой тороидальный канал 3, расположенный вокруг жаровой трубы. Топливо 8 в смесительный канал подается через множество точек впрыска при помощи специальных патрубков. Выход топливовоздушной смеси из смесительного канала производится через прямоугольные отверстия под углом к оси камеры, что обеспечивает активное взаимодействие и перемешивание ТВС с продуктами сгорания из дежурной зоны.

Запуск камеры осуществляется с помощью факельных воспламенителей, установленных по одному в головке каждой жаровой трубы. Камера может работать только на газо-

и низкой температуры горения количество окислов азота, образующихся в ней, невелико.

Во второй зоне горения продукты неполного сгорания топлива из богатой зоны интенсивно смешиваются с большим количеством воздуха (зона резкого разбавления). Сме-

211

шение продуктов неполного сгорания из богатой зоны с «холодным» воздухом понижает температуру и увеличивает коэффициент избытка воздуха в смеси, поступающей в зону бедного горения.

В третьей зоне камеры происходит горение бедной топливовоздушной смеси c коэффициентом избытка воздуха αКС ≈ 2,0, образовавшейся на выходе из зоны резкого разбавления. В этой зоне концентрация NOх ограничивается невысокой температурой пламени и малым временем пребыва-

ния τПС.

Достоинствами схемы RQQL являются простота системы регулирования, так как для подачи топлива может быть задействован только один коллектор, и хорошая устойчивость горения во всем диапазоне режимов работы ГТУ. К недостаткам этой схемы можно отнести то, что на практике она имеет ограниченные возможности по получению низких уровней выбросов NOх (менее 50 мг/н.м3). Наиболее рационально схему горения RQQL использовать в ГТУ с низкими

исредними параметрами рабочего цикла.

Вкаталитических КС для повышения скорости горения

иснижения температуры продуктов сгорания используются катализаторы. Схема каталитической КС приведена на рис. 7.17.

Рис. 7.17. Схема каталитической КС

212

Основная часть топлива Мт1 поступает через форсунки 1 и смешивается с воздухом Мв1 в зоне 6 (жидкое топливо предварительно должно быть испарено). Подготовленная однородная ТВС из зоны 6, проходя через катализатор 2, конвертируется в синтез-газ, который имеет повышенную температуру и включает в себя такие горючие компоненты, как Н2 и СО. Синтез-газ догорает в зоне горения 4 за катализатором.

Взоне разбавления 5 происходит обеднение ТВС при

смешивании с вторичным воздухом Мв2 и прекращение горения.

Для запуска двигателя и его работы на пониженных режимах должно быть предусмотрено специальное устройство,

состоящее из форсунки 8, которая подает топливо Мт2, перемешанное с воздухом, поступающим из завихрителя 7 в зону горения, минуя катализатор. Полученная ТВС догорает вместе с каталитически инициированным газом за стабилизатором 3, обеспечивая устойчивую работу КС.

Впервую очередь концепция каталитического горения будет использована в малонапряженных ГТУ, работающих на газообразном топливе.

Вприсутствии катализатора реакция окисления топлива является специфическим квантохимическим процессом получения тепла в виде излучения инфракрасных квантов. Реакция протекает через несколько последовательных стадий по более выгодному пути, что позволяет проводить процесс

сбольшой скоростью. Важнейшим фактором каталитической технологии беспламенного сжигания топлива является то, что она позволяет проводить реакцию без вовлечения в реак-

цию нейтрального N2. Эффект обосновывается наличием в процессе каталитических реакций магнитно-газоселектив- ной адсорбции О2 и выталкиванием N2 из зоны реакции. Область применения каталитических реакторов в настоящее время ограничена по причине сложности создания катализа-

213

торов с большой мощностью тепловыделения и работающих при высоких термических нагрузках.

Контрольные вопросы

1.Изобразить графически и пояснить характер зависимости температуры продуктов сгорания от коэффициента избытка воздуха.

2.Перечислить трудности организации горения в камере сгорания ВРД.

3.Что называют характеристиками КС?

4.Назвать и пояснить мероприятия по организации устойчивого горения в основной камере сгорания ВРД.

5.Назвать вредные вещества, выделяющиеся при горении в КС ВРД, и объяснить условия их образования.

6. Назвать способы снижения эмиссии оксидов азота в перспективных КС.

214

8. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГАЗОВЫХ ТУРБИНАХ

8.1. Назначение газовых турбин и требования, предъявляемые к ним

Газовая турбина (ГТ) предназначена для привода ОК и вспомогательных агрегатов двигателя, а в ТВД и ТВаД также и для привода воздушного винта и различных потребителей.

ГТ развивает большую мощность при сравнительно небольших габаритах и массе, обладает плавностью хода при работе и простотой конструкции.

ГТ является самым нагруженным узлом ГТД, и ее надежная работа определяет ресурс двигателя в целом.

На элементы ГТ одновременно действуют газодинамические силы (изгибающие и крутящие моменты), центробежные силы (растягивающие напряжения) в условиях, когда под воздействием высоких температур происходит существенное снижение прочности конструкционных материалов.

Классификация ГТ:

1.По числу ступеней: одноступенчатые; многоступен-

чатые.

2.По числу валов: одновальные; двухвальные; трехвальные.

3.По направлению движения газа: осевые; радиальные (центробежные, центростремительные).

4. По способу охлаждения лопаток: неохлаждаемые; с воздушным охлаждением; с водяным (топливным) охлаждением.

В маршевых ВРД современных ЛА наибольшее распространение получили осевые газовые турбины (ГТ) с воздушным охлаждением (рис. 8.1).

Требования к ГТ:

1. Высокий КПД, который достигается:

215

–применением жаропрочных и жаростойких сплавов;

–эффективным охлаждением деталей ГТ.

3. Небольшие габариты и вес; достигаются увеличением осевых скоростей в ступенях.

8.2.Основные параметры ГТ

1.Cтепень понижения полного давления в ГТ

где πт1, πт2 , ... πтn – степени понижения давления в ступе-

нях ГТ.

2. Работа на валу турбины. Из уравнения Бернулли для ГТ следует, что

то есть политропная работа, совершаемая газом при расширении в ГТ, расходуется на создание механической работы Lт (крутящего момента Мкр) на валу ГТ, на приращение кинетической энергии газа и на преодоление всех гидравлических сопротивлений Lr. Тогда работа на валу турбины

216

где Lr – работа, затрачиваемая на преодоление гидравлического сопротивления (трения); ∆Lr ≈ 0,15Lr – работа расширения, производимая за счет «возврата тепла». Так как процесс расширения газа в ГТ политропный, то преодоление трения сопровождается выделением тепла и дополнительным подогревом газа по сравнению с адиабатным расширением

(рис. 8.2); Lт.ад – адиабатиче-

3. КПД ГТ в заторможенных параметрах (в дальнейшем – КПД турбины), оценивающий степень преобразования полной адиабатической работы расширения газа в ГТ Lт.ад

в полезную работу на валу турбины Lт:

217

4. Мощность на валу ГТ

При увеличении Tг и πт мощность ГТ увеличивается.

На величину потерь в затурбинном пространстве существенно влияют число Мт (или λт) и направление потока на выходе из ГТ. Наличие остаточной закрутки газового потока за турбиной приводит к заметному возрастанию потерь в стоящем за ГТ диффузоре, в особенности при высоких значениях числа Мт.

8.3. Устройство и принцип работы ступени ГТ

Ступень ГТ состоит из соплового аппарата (СА) и рабочего колеса (РК) (рис. 8.3). СА служит для разгона (частичного превращения энтальпии в кинетическую энергию) и подвода потока газа под определенным углом к лопаткам РК (РЛ). РК служит для превращения полной энергии газового

218

ле, разгоняется, то есть часть его энтальпии превращается в кинетическую энергию. При этом возрастает скорость

иуменьшаются давление и температура.

ВРК ГТ часть энтальпии и кинетической энергии газа превращается в механическую работу.

Представим ступень ГТ в виде плоской решетки профилей в среднем сечении (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Принцип работы ступени ГТ

Перед входом в СА первой ступени ГТ поток газа имеет вектор скорости c0 , параллельный оси турбины. В сужаю-

щемся межлопаточном канале поток разгоняется и поворачивается, имея на выходе из СА абсолютную скорость c1. Под действием газа, вытекающего из СА, РК ГТ вращается с ок-

219

ружной скоростью u. Относительно РЛ поток движется с относительной скоростью w1 = c1 −u .

В сужающемся межлопаточном канале РК поток газа разгоняется (↑ w, ↓ p, ↓T ) и поворачивается. При повороте

потока, за счет центробежной силы, на вогнутой поверхности РЛ («корытце») давление повышается (+), а на выпуклой («спинке») – понижается (–). На РЛ появляется аэродинамическая сила Р, пропорциональная перепаду давлений на профиле РЛ. Окружная составляющая этой силы Рu создает крутящий момент, приводящий РК во вращение. Осевая составляющая Ра должна восприниматься упорным подшипником ротора.

Дополнительная окружная сила на РК образуется за счет реактивной составляющей, возникающей при увеличении относительной составляющей скорости потока w в межлопа-

точном канале РК Rup = Мг(wu2 – wu1).

Таким образом, течение газа через ступень ГТ можно рассматривать как течение через систему неподвижных и вращающихся сопел, сопровождающееся увеличением абсолютной скорости c в СА и относительной w в РК, а также уменьшением давления и температуры.

8.4. Понятие об активной и реактивной ступени ГТ

ГТ может состоять из активных и реактивных ступеней.

Вактивной ступени расширение газа происходит только

вСА, то есть межлопаточный канал в СА – сужающийся, а в РК – имеет постоянную площадь сечения.

Вреактивной ступени газ расширяется в сужающихся межлопаточных каналах, как в СА, так и в РК.

Степень реактивности ступени ГТ оценивается критерием

220