книги / Теория, расчёт и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок. Теоретические основы

Протекание процесса горения в КС ВРД и параметры продуктов сгорания (ПС) в значительной мере зависят от состава топливовоздушной смеси (ТВС), то есть соотношения топлива и окислителя.

Основными продуктами сгорания углеводородного топлива являются углекислый газ СО2 и водяной пар Н2О.

Реакции полного окисления углерода и водорода:

1.С + О2 = СО2 + Q (тепло);

2.4Н + О2 = 2Н2О + Q (тепло).

Важной характеристикой топлива является низшая теплотворная способность Hu. Hu – это количество тепла, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива без учета тепла конденсации содержащихся в ТВС паров воды.

L0 – стехиометрический коэффициент – наименьшее количество воздуха, потребное для полного сгорания 1 кг топлива: для авиационного керосина L0 ≈ 14,7 кг, для топливного газа L0 ≈ 17 кг.

Соотношение окислителя и топлива, при котором они полностью прореагируют при горении, называется теоретическим или «стехиометрическим», то есть 14,7 кг воздуха плюс 1 кг керосина – стехиометрическое соотношение ТВС для керосина.

При таком соотношении выделяется максимально возможное количество теплоты и температура продуктов сгорания имеет максимальное значение (ТПС max).

В реальном ВРД к 1 кг топлива подводится количество воздуха L, отличное от L0. Соотношение количества воздуха и топлива в ТВС оценивается с помощью коэффициента α = L/L0 – коэффициента избытка воздуха в ТВС.

При L = L0, следовательно, α = 1 – ТВС теоретическая (стехиометрическая).

При L < L0, следовательно, α < 1 – ТВС «богатая» (избыток топлива или недостаток воздуха).

181

При L > L0, следовательно, α > 1 – ТВС «бедная» (избыток воздуха или недостаток топлива).

Полное сгорание топлива возможно при α ≥ 1. В реальных ВРД величина α значительно выше (α = 3…5).

При стехиометрическом соотношении окислителя и топ-

лива – ТПС max (рис. 7.1).

ния (КС) реальных ВРД, обычно, ТВС – «бедная» (α >> 1) и значения α находятся в зоне невозможного горения (см. рис. 7.1). Поэтому приходится применять конструктивные решения для организации процесса устойчивого горения.

Количество не прореагировавшего топлива в КС оцени-

вается с помощью коэффициента полноты сгорания топлива

ηг = Q/Q0, где Q – количество тепла, реально выделившееся в КС при сгорании 1 кг топлива; Q0 – количество тепла, которое выделилось бы при полном сгорании 1 кг топлива.

7.2.2. Топлива, применяемые в ВРД

Требования к топливам авиационных ВРД:

1. Высокая теплотворная способность Hu (количество тепла, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива).

182

Hu = 43100…43900 кДж/кг или 10300…10500 кал/кг – весо-

вая теплотворная способность (авиационный 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 (надежный запуск при низких температурах окружающей среды).

9.Высокая плотность (возможность взять большую массу топлива в объем баков).

Предъявленным требованиям наиболее полно отвечают авиационные керосины, являющиеся продуктом прямой перегонки сырой нефти.

ТС-1, РТ – обладают средним и высоким уровнем термической стабильности (≤ 100…120 °С) и являются наилучшими топливами для ВРД дозвуковой авиационной техники (АТ) (с небольшой продолжительностью сверхзвукового полета).

Т-2 – обладает средним уровнем термической стабильности (≤ 100 °С). Имеет более низкую, чем у ТС-1 и РТ,

плотность и более высокую теплотворную способность, а также более высокую коррозионную активность при лучших пусковых свойствах (выше испаряемость). Применяется в ВРД дозвуковой АТ (с небольшой продолжительностью сверхзвукового полета) в районах с низкой температурой воздуха и как резервное топливо взамен ТС-1 и РТ.

Т-6 – имеет более высокую, чем у ТС-1, РТ и Т-2, плотность и более низкую теплотворную способность, вследствие чего обладает меньшей коррозионной активностью и худшими пусковыми свойствами при низких температурах (ниже

183

испаряемость). Имеет высокий уровень термической стабильности (≤ 300 °С) и применяется в сверхзвуковой АТ.

Стехиометрический коэффициент для ТС-1 и РТ L0 =

= 14,7 кгвозд/кгтопл, для Т-2 L0 = 14,9 кгвозд/кгтопл, для Т-6

L0 = 14,6 кгвозд/кгтопл.

Низшая теплотворная способность Hu для ТС-1, РТ, Т-2, Т-6 находится в диапазоне 42900… 43300 кДж/кг.

В ТВаД наземного применения в качестве топлива

и50060 кДж/кг (метан).

7.3.Типы КС и их краткая характеристика

В качестве основных КС в ВРД применяются:

1)индивидуальные (трубчатые) КС;

2)трубчато-кольцевые КС;

3)кольцевые КС.

7.3.1. Индивидуальная КС

Индивидуальная КС (ИКС) – это автономная КС с собственной теплоизоляцией (рис. 7.2). Состоит из жаровой трубы 6; теплоизолированного корпуса 4; воспламенителя 3; диффузора 2; пламеперебрасывающего патрубка 5; топливной форсунки 1.

184

Преимуществами ИКС являются удобство в доводке, монтаже и замене, а также относительная простота конструкции.

Недостатки ИКС:

–высокая неравномерность температурного поля и поля скоростей на выходе из связки ИКС;

–нерациональное использование объема двигателя;

–большие гидравлические потери;

–сложность уплотнения и теплоизоляции пламеперебрасывающих патрубков;

–большая масса.

ИКС в основном применялись в ТРД первого поколения с центробежным компрессором (ВК-1). В настоящее время они широко применяются в ГТД наземного использования.

7.3.2. Трубчато-кольцевая КС

Трубчато-кольцевая КС (рис. 7.3, б) состоит из нескольких жаровых труб 2, соединенных пламеперебрасывающими патрубками 3 и имеющих общий корпус: внутренний 4, наружный 1.

Рис. 7.3. Компоновочные схемы КС (поперечный разрез): а – трубчатая; б – трубчато-кольцевая; в – кольцевая

Преимущества:

– более равномерные (чем у ИКС) поля скоростей

итемператур на выходе из КС;

–более рациональное использование объема двигателя;

185

–пламеперебрасывающие патрубки не требуют герметизации и теплоизоляции;

–меньшие (чем в ИКС) гидравлические потери из-за уменьшения суммарной площади обтекания;

–меньшие (чем у ИКС) габариты и масса. Недостатком является сложность в доводке, изготовле-

нии и замене жаровых труб.

7.3.3. Кольцевая КС

Кольцевая КС (рис. 7.3, в) представляет собой кольцевую жаровую трубу 2 с определенным количеством горелок с форсунками, размещенную в кольцевом кожухе: внутренний 4, наружный 1.

Преимущества:

–равномерное поле скоростей и температур на выходе

из КС;

–минимальные потери тепла через стенки, так как их суммарная площадь минимальна;

–минимальные гидравлические потери;

–отсутствует необходимость в пламеперебрасывающих патрубках;

–минимальный относительный объем.

Недостатки:

–меньшая жесткость (возможность коробления при неравномерном нагреве);

–сложность в доводке (при организации процесса горения в большом объеме высока вероятность неустойчивого горения);

–сложность в изготовлении и замене жаровой трубы.

Несмотря на отмеченные недостатки, в современных и перспективных авиационных ВРД используются, в основном, кольцевые КС.

186

7.4. Организация процесса горения в КС ВРД

7.4.1. Трудности организации горения в КС ВРД

При организации горения необходимо учитывать следующие факторы:

–максимально допустимая температура газа на входе

вГТ (на выходе из КС) современных ВРД ограничена проч-

ностью лопаток ГТ и находится в диапазоне Тг max =

=1400…1800 K, а температура ПС углеводородного топлива

ТПСmax = 2000…2400 K;

–для обеспечения допустимых значений Тг max коэффи-

циент избытка воздуха в КС ВРД должен быть α = 2…5,

агорение возможно при α = 0,4…1,7 (см. рис. 7.1);

–скорость потока воздуха, выходящего из компрессора,

находится в пределах ск = 100…190 м/с, что значительно выше скорости распространения пламени при горении сгор = = 10…15 м/c.

Из вышеотмеченного следует, что если не принять специальных конструктивных мер, то горение в КС ВРД будет невозможно.

7.4.2. Мероприятия по организации устойчивого горения в КС ВРД

1. Ступенчатый подвод воздуха к топливу и продуктам сгорания, за счет чего первоначально создается необходимое обогащение ТВС в зоне горения (α = 0,8…1,0), а затем обеднение ТВС, приводящее к прекращению горения и снижению Тг на выходе из КС до заданного значения.

2. Предварительное торможение потока в диффузоре перед входом в жаровую трубу (ЖТ) до скорости – ск = = 50…80 мс.

187

3. Стабилизация пламени за счет создания зоны обратных токов, заполненной горячими ПС, непрерывно поджигающими «свежую» ТВС.

7.4.3. Этапы рабочего процесса в КС

Рабочий процесс в КС состоит из следующих этапов:

1.Распыление форсунками топлива в жаровой трубе.

2.Смешивание топлива с воздухом и его испарение.

3.Воспламенение ТВС.

4.Химическая реакция окисления топлива (горение).

5.Прекращение горения и охлаждение ПС.

Особенности реализации этапов рабочего процесса:

– подача и распыл топлива в жаровой трубе (ЖТ) осу-

ществляется через форсунку 6 (рис. 7.4) с перепадом давлений ∆рф = 30…50 кгс/см2, что позволяет получать капли диаметром 20…100 мкм;

–при образовании ТВС капли топлива испаряются при перемешивании с воздухом, так как горение топлива возможно только в парообразной фазе;

–воздух, подаваемый в КС, тормозится в диффузоре 7

иделится на два потока: первичный и вторичный. Первичный – Мв1 ≈ 25…50 % от всего Мв поступает не-

посредственно в зону горения через фронтовое устройство 2, где образуется богатая смесь (α = 0,8…1,0) и зона устойчивого горения с температурой ТПС = 2200…2400 K и средней скоростью потока газа сПС = 25…30 м/с.

Вторичный – Мв2 ≈ 75…50 % от всего Мв охлаждает жаровую трубу, протекая между стенкой ЖТ 4 и корпусом КС: наружным 3, внутренним 8, и поступает в ЖТ поэтапно через ряды отверстий в ЖТ. В зоне догорания к продуктам горения добавляется кислород и происходит догорание топлива, одновременно снижается α и прекращается горение.

188