Метрология / Том 2. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок / 6-4-Osnovnyje_elementy_KS

Рисунок 6.28 – Схема каталитической КС [6.12] 1 – топливная форсунка; 2 – зона предварительного смеше-

ния; 3 – катализатор; 4 - зона горения за катализатором; 5 – впрыск топлива минуя катализатор

талитической КС приведена на Рис. 6.28. Здесь одна часть топлива поступает через форсунки 1 и предварительно смешивается с воздухом в зоне 2. Подготовленная однородная топливовоздушная смесь с заданным соотношением топлива к воздуху проходит через катализатор 3. Проходя через катализатор, топливовоздушная смесь 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 вместе с другой частью топлива 5, подаваемой в эту зону, минуя катализатор.

В присутствии катализатора реакция окисления топлива является специфическим квантохими- ческим процессом получения тепла в виде излуче- ния инфракрасных квантов. Реакция протекает через несколько последовательных стадий по более выгодному пути, что позволяет проводить процесс с большей скоростью. Важнейшим фактором каталитической технологии беспламенного сжигания топлива является то, что она позволяет проводить реакцию без вовлечения в реакцию нейтрального N2. Эффект обосновывается наличием в процессе каталитических реакций магнитно-газо- селективной адсорбции О2 и выталкиванием N2 из зоны реакции. Область применения каталитических реакторов в настоящее время ограничена по причине сложности создания катализаторов с большой мощностью тепловыделения и работающих при высоких термических нагрузках.

6.4 – Основные конструктивные элементы КС

КС состоит из следующих основных конструктивных и функциональных элементов: диффузора, жаровых труб, форсунок, корпусов, системы зажигания. Несмотря на общность функций, существует большое разнообразие конструктивных исполнений КС и составляющих элементов. Каждое техническое решение имеет объективные обоснования. Немаловажное значение имеют традиции и опыт фирм–разработчиков.

Конструкцию КС разрабатывают на основе выбранной схемы и исходных данных. К исходным данным относятся:

-данные, определенные проектировочным расчетом КС:

-параметры диффузора;

-размеры жаровой трубы и воздушных каналов;

-количество форсунок;

-расположение основных отверстий для подвода воздуха в жаровую трубу;

-распределение воздуха по жаровой трубе;

-присоединительные размеры проточной ча- сти и корпусов компрессора и турбины;

-силовая схема двигателя (расположение подшипниковых опор);

-схема вторичных потоков двигателя (прохождение через КС трубопроводов, обеспечивающих работу опор двигателя, системы охлаждения и др.);

-требования к креплению двигательных агрегатов и узлов на корпусе КС.

Ниже рассмотрены некоторые конструктивные решения и расчеты основных и элементов КС ГТД.

6.4.1 – Диффузор

Диффузор представляет собой расширяющийся канал, в котором скорость потока снижается

èчасть кинетической энергии преобразуется в потенциальную, что выражается приростом статического давления.

Диффузоры должны удовлетворять следующим требованиям:

-иметь минимальные гидравлические потери;

-иметь минимальную длину;

-обеспечивать устойчивое поле скоростей

èдавлений перед входом в жаровую трубу (т.е. отсутствие отрыва потока).

В трубчатых КС диффузоры выполняются в виде индивидуальных для каждой жаровой трубы патрубков (см. Рис. 6.7) с изоградиентным увеличением площади проходного сечения.

номерности поля температур газа на выходе из КС. При профилировании стоек необходимо учитывать возможную крутку потока за спрямляющим аппаратом компрессора. В трубчато-кольцевых КС для снижения потерь в диффузоре стойки (перепускные трубы) могут быть расположены за плавной частью диффузора между жаровыми трубами (см. Рис. 6.9).

При конструировании диффузоров следует обратить внимание на точность соблюдения размеров его проточной части (для обеспечения тече- ния без отрыва потока), а также задавать низкую шероховатость поверхности элементов проточной части, с целью снижения потерь. Пример задания шероховатости поверхности и точности размеров приведен на см. Рис. 6.30.

- относительная длина преддиффузора - отношение длины преддиффузора к высоте канала на входе:

; (6.24)

- степень расширения преддиффузора - отношение площади на выходе к площади на входе:

- угол раскрытия преддиффузора - связан с относительной длиной и степенью расширения соотношением:

; (6.26)

Рисунок 6.31 – Основные геометрические параметры диффузора 1 – преддиффузор; 2 – участок с вне-

запным расширением

личных типов диффузоров. Здесь же приведена граница рекомендуемых соотношений между nÄ è для обеспечения безотрывного течения.

Участок стабилизированного отрыва потока так же играет большую роль в организации процессов в КС. Назначение этого участка сводится к созданию стабильных (по режимам двигателя) условий для обтекания жаровой трубы с минимальными потерями давления, отсутствием автоколебаний и равномерной скоростью вдоль стенок жаровой трубы. Последнее условие необходимо для обеспечения нормальной работы системы охлаждения и оптимального втекания воздуха в жаровую трубу.

Эффективность работы диффузора чаще всего оценивают по величине коэффициента восстановления полного давления σ Ä, который определяется по формуле:

стояний между диффузором и головной частью жаровой трубы L1, диффузором и основными отверстиями зоны горения L, от высоты канала h2 и диаметра головной части жаровой трубы DÆ (обозначения см. Рис. 6.31). Из рисунка следует, что уменьшение расстояния ∆ приводит к росту потерь давления.

Рисунок 6.32 - Границы начала отрывв потока для различных типов дифузоров

Рисунок 6.33 – Зависимость потерь давления в диффузоре от расстояния до жа-

ровой трубы и основных отверстий зоны горения

Рисунок 6.34 – Линии тока в диффузоре и КС

В современных КС коэффициент восстановления полного давления в диффузоре составляет 0,980…0,985.

Более подробно аэродинамические характеристики диффузоров исследуются с помощью программных пакетов в трехмерной постановке (см. Рис. 6.34) и при продувке моделей диффузоров на установках.

6.4.2 – Жаровая труба

После выбора схемы КС при выполнении проектировочных расчетов определяются основные параметры жаровой трубы, которые служат исходными данными для разработки е¸ конструкции. К ним относятся:

–объем жаровой трубы (см. раздел 6.3.2);

–распределение воздуха по длине жаровой трубы (площади проходных сечений фронтового устройства, количество и размеры отверстий зоны горения и смешения, количество поясов охлаждения и количество отверстий по поясам) (см. разделы 6.3.2 и 6.3.3);

–количество форсунок и фронтовых устройств;

–тип фронтового устройства; - тип системы охлаждения.

Жаровая труба в трубчатых и трубчато-коль- цевых КС как правило состоит из двух частей - собственно жаровой трубы и газосборника (см. Рис. 6.7, 6.8 и 6.9).

Пример конструкции жаровой трубы двигателя ПС-90А приведен на Рис. 6.35. В передней ча- сти жаровой трубы расположено ФУ 1. Далее по длине жаровой трубы располагается обтекаемая головка 2, за ней стенка, состоящая из секций и гофрированных колец, сваренных между собой точечной сваркой. В конструкции жаровой трубы применена пленочная система охлаждения (см. Рис. 6.44). На поверхности жаровой трубы выполняют отверстия для подвода воздуха в зону горения и в зону смешения. От осевых перемещений жаровая труба фиксируется за корпус КС с помощью кронштейна 5. Кронштейн расположен в передней части рядом с ФУ и форсункой, чтобы уменьшить влияние тепловых перемещений жаровой трубы относительно форсунки для обеспече- ния стабильных параметров распыла и перемешивания топлива с воздухом во ФУ. Для переброса пламени из одной жаровой трубы в другую в момент розжига трубы соединены между собой пламеперебрасывающими патрубками 6 и муфтами 17 (см. Рис. 6.9).

Рисунок 6.35 – Жаровая труба двигателя ПС-90А 1 - фронтовое устройство; 2 - обтекаемая головка; 3 - система охлаждения; 4 - отверстия подвода воздуха в зону горения и смешения; 5 - кронштейн; 6 - пламеперебрасывающий патрубок

Газосборники в трубчатых КС выполняют для каждой жаровой трубы отдельно, а в трубчато-коль- цевых КС они могут быть как отдельными (см. Рис. 6.8), так и кольцевыми, в которые вставляются все жаровые трубы двигателя по кольцу. Для компенсации температурных расширений жаровые трубы соединяются с газосборником с помощью телескопического соединения. Задним фланцем газосборники обычно крепятся за корпус первого соплового аппарата турбины. Стенки газосборника оснащают системой охлаждения. На Рис. 6.9 приведен пример конструкции кольцевых газосборников двигателя ПС-90А, где наружное и внутреннее кольца газосборника - точеные. В них выполнено по семь поясов подвода охлаждающего воздуха. Шесть поясов используются для охлаждения самих колец, а седьмой пояс – для охлаждения наружной и внутренней полок соплового аппарата ТВД. Задняя часть кольца газосборника наружного является корпусом соплового аппарата ТВД.

Пример жаровой трубы кольцевой КС приведен на Рис. 6.36. Жаровая труба состоит из фронтового устройства 1, наружной 2 и внутренней 3 кольцевых стенок, фронтовой плиты 4. Для снижения гидравлического сопротивления и необходимого распределения воздуха по кольцевым ка-

Рисунок 6.36 – Жаровая труба кольцевой КС двигателя ПС-90А 1 - фронтовое устройство; 2 - на-

ружная кольцевая стенка; 3 - внутренняя кольцевая стенка;

4 - фронтовая плита; 5 - обтекатель; 6 - отверстия подвода воздуха в зону горения и смешения; 7 - кронштейн

налам в передней части жаровой трубы, расположен обтекатель 5. На стенках выполнена система охлаждения по типу, представленному на Рис. 6.45,à.

На наружной и внутренней стенках выполнены отверстия 6 для подвода воздуха в зоны горения и смешения. От осевых и радиальных перемещений жаровая труба закрепляется за корпус КС с помощью нескольких кронштейнов 7. Соединение с корпусом первого соплового аппарата выполняется телескопическим для компенсации тепловых расширений (см. Рис. 6.27).

Отверстия для подвода воздуха в зоны горения и смешения могут быть круглой или овальной формы 1, с отбортовками 2 или с патрубками 3 (см. Рис. 6.37). Форма отверстий, их размеры и коли- чество должны выбираться из условий минимальных потерь при втекании воздуха в жаровую трубу, обеспечения стабильного расхода воздуха, достаточной глубины проникновения в газовоздушный поток и интенсивного перемешивания вводимого воздуха с газовоздушным потоком на минимальной длине жаровой трубы. Механически

Рисунок 6.37 – Способы подвода воздуха 1 – круглые механически обработан-

ные отверстия; 2 - отверстия с отбортовкой; 3 - смесительный патрубок; 4 – воздухозаборник; 5 – система охлаждения патрубка

обработанные отверстия круглого сечения имеют более высокую стабильность расхода воздуха.

В некоторых случаях для увеличения пробивной способности воздушной струи используют скоростной напор воздуха – над отверстием с наружной стороны жаровой трубы устанавливают воздухозаборник 4. Применение смесительных патрубков для подвода вторичного воздуха, в основном, в кольцевых КС, вызвано необходимостью пробивать большую толщину газового потока для обеспечения более равномерного поля температур на выходе из КС. Установка патрубков в потоке газа с высокой температурой требует применения охлаждения патрубков, особенно в их передней части, например, через щели 5.

Для изготовления жаровых труб и газосборников применяют следующие материалы:

-нержавеющую сталь - до температуры 800°С;

-жаростойкие сплавы на никелевой и хромистой основе - до температуры 900…1100°С.

Новыми материалами для изготовления жаровых труб являются структуростабильные жаропрочные сплавы на никелевой и хромистой основе, отличающиеся повышенной кратковременной

èдлительной прочностью, термостойкостью и технологичностью. Их рабочая температура составляет 1100…1200°С. Применение этих материалов

может повысить ресурс жаровой трубы в полтора - два раза.

Перспективными материалами для изготовления жаровых труб также являются порошковые сплавы на основе интерметаллидов Ni3Al, NiAl, FeCrAl, предназначенные для теплонапряженных конструкций, работающих до температуры 1200…1300°С. Высокая жаростойкость, стойкость к карбидообразованию, водородному и сульфидному растрескиванию при высоких температурах, жаропрочность и относительно низкая плотность обуславливают их преимущество по сравнению с традиционными материалами.

Отраслевыми институтами ведутся работы над керамическими материалами рабочая температура, которых будет 1500°С и выше.

6.4.2.1 – Фронтовые устройства

Практически все известные КС имеют свои, отличающиеся по конструкции ФУ. Классическими примерами ФУ в виде плохо обтекаемых тел являются щелевая головка жаровой трубы 1 и конические насадки 2, устанавливаемые в передней части жаровой трубы (см. Рис. 6.38). Такие ФУ имеют повышенные гидравлические сопротивления, в них недостаточно полно происходит смесеобразование, вследствие чего получается сравнительно невысокая полнота сгорания и высокий уровень эмиссии.

Одним из способов получения в первичной зоне КС однородной ТВС является использование испарительных ФУ (см. Рис. 6.11, 6.38).

ÂФУ с осевым 4 или радиальным 5 лопаточными завихрителями (см. Рис. 6.38) размеры зоны обратных токов определяются степенью крутки потока. Степень крутки потока зависит от скорости истечения воздуха из завихрителя и угла установки лопаток. Гидравлические потери в - завихрительных ФУ значительно ниже, чем в щелевых и конусных.

Âнастоящее время в КС, в основном, применяются комбинированные 6 завихрительные ФУ.

Âних помимо функции стабилизации пламени обеспечивается предварительная подготовка ТВС (распыливание, смешение до нужной концентрации и степени однородности). Современные завихрительные ФУ состоят из двух и более осевых, струйных 7 и (или) радиальных завихрителей и сопловых насадков 8 различной конфигурации (см. Рис. 6.38). С помощью таких ФУ можно обеспечить практически все предъявляемые в настоящее время требования.

ФУ обычно изготавливают методами точного литья с последующей механической обработкой некоторых поверхностей для обеспечения необходимой точности и шероховатости обработки поверхности. Материалы для изготовления ФУ - никелевые сплавы.

ФУ крепятся на жаровых трубах трубчатых и трубчато-кольцевых КС при помощи сварки или клепки. В кольцевых КС ФУ крепятся с помощью подвижных соединений, которые компенсируют температурные расширения и неточности монтажа форсунок.

Разработка современных ФУ, состоящих из каскада осевых и (или) тангенциальных завихрителей, струйных смесителей и нескольких сопловых насадков различной конфигурации является сложной задачей. Она решается за несколько последовательных расчетных, конструкторских, исследовательских и экспериментальных шагов, в ре-

зультате которых должны быть обеспечены заданные характеристики и требования к КС, изложенные в разделе 6.1.

Во время экспериментов исследуются практически все характеристики КС:

–тонкость распыла топлива (вместе с форсункой);

–расход воздуха через ФУ;

–структура течения за ФУ, величина зоны обратных токов;

–отсутствие проскока пламени на всех режимах двигателя;

–отсутствие нагарообразования на всех режимах двигателя;

–отсутствие пульсационного горения;

–полнота сгорания;

–характеристики розжига и область устойчи- вого горения;

–влияние на поля температур;

–температурное состояние стенок жаровых труб.

ФУ это именно тот узел, который конструкторы КС, создав однажды, стараются не менять, если он обеспечивает требуемые характеристики.

Принцип работы ФУ рассмотрим на примере работы типичного ФУ, образованного лопаточным завихрителем 1 и переходным конусом 2 между завихрителем и цилиндрической частью жаровой трубы. Схематично структура потока, образующаяся за подобным ФУ, показана на Рис. 6.39.

Физическая основа стабилизации пламени заключается в создании в головной части жаровой трубы зоны пониженного давления, которая образуется за счет эжекции газа конической струей воздуха 3, созданной завихрителем. Отток газа изнутри конической струи компенсируется его добавлением из участков, расположенных несколько дальше от

ФУ. Вследствие этого образуется зона обратных токов 4, в которой часть горячих газов движется навстречу основному потоку воздуха. Распыленное топливо 5 подается форсункой 6 в зону обратных токов. Если смесь в КС воспламенить, то стабилизация пламени 7 осуществляется вблизи внешней границы зоны обратных токов 8.

Структура потока в головной части жаровой трубы, представленная на Рис. 6.39 с помощью эпюры скоростей 9, эпюры давлений 10 и линий токов 11, как при холодной продувке, так и на работающей КС качественно одинакова. Но зона обратных токов на работающей КС имеет меньшие размеры. Тепловыделение в активном потоке приводит к расширению газа, но при наличии стенок газ может расширяться только в направлении к оси КС и основного движения, что и приводит к поджатию и укорочению зоны обратных токов.

Одно из основных требований к КС, которое обеспечивается в основном с помощью ФУ - широкие пределы устойчивого горения. Пределы устой- чивого горения обычно представляют в форме границ стабилизации пламени, которые разделяют область устойчивого и неустойчивого горения. Область стабилизации пламени изображается в координатах коэффициента избытка воздуха α и скорости в миделевом сечении КС. Таким образом, на каждой скорости в КС существуют значения α , при которых происходит срыв пламени: «богатый» срыв при α min и «бедный» срыв при α max. Границы области стабильного горения называют бедной и богатой границей. Существует максимальная скорость, при которой наступает прекращение горения при любом значении α (ñì. Ðèñ. 6.40).

%

6.4.2.2 – Системы охлаждения жаровой трубы

Âпроцессе горения в КС стенки жаровой трубы нагреваются конвекцией и тепловым излучением от горячих газов (в основном углекислого газа

èводяного пара) и твердых частиц (в основном сажи). Если стенки жаровой трубы не охлаждать специальным образом, то их охлаждение происходит только за счет конвективного отвода тепла к воздуху, обтекающему жаровые трубы снаружи, и путем излучения на корпуса КС.

При высоких параметрах современных двигателей без специального охлаждения стенки жаровой трубы могут разогреваться до предельных температур и прогорать. Кроме того в этих условиях нагрев и теплосъем происходит неравномерно, и на поверхности стенок образуется большой градиент температур, что приводит к их короблению. Для обеспечения заданного ресурса жаровой трубы необходимо, чтобы температура и градиент температур на ее стенке не превышали предельных значений характеристик применяемых материалов. Например, для никелевых сплавов максимальная температура составляет 850…900°С при длительной работе, 1000…1100°С при кратковременном нагреве, градиент температур - не более 50°С/мм. Для выполнения этого условия стенки жаровых труб оснащают системами охлаждения.

С помощью систем охлаждения увеличивается конвективный отвода тепла к обтекающему воздуху. Кроме этого на внутренней поверхности жаровой трубы (в большинстве систем охлаждения) создается завеса охлаждающего воздуха, которая предотвращает нагрев стенок от конвективного тепла горячих газов. В зоне интенсивного теплового излучения, где воздушная завеса не предохраняет стенки от нагрева, воздушная пелена охлаждающего воздуха конвекцией снимает тепло со стенок жаровой трубы. Для направления потока воздуха вдоль внутренней поверхности выполняют разделение стенок по длине на секции, в соединениях которых выполняют отверстия или щели для прохода охлаждающего воздуха.

Различают системы охлаждения конвективные, пленочные, конвективно-пленочные. Однако, практически любая из перечисленных систем в различ- ной степени является комбинированной в зависимости от преобладающего способа теплосъема.

Âнастоящее время чаще встречаются в конструкциях жаровых труб две разновидности конвективной системы охлаждения.

Первая - однослойная (см. Рис. 6.41), где охлаждение стенки жаровой трубы происходит за

счет съема тепла потоком воздуха, обтекающего жаровую трубу снаружи. При применении такого охлаждения с внешней стороны стенки жаровых труб выполняют продольные или поперечные ребра (относительно потока охлаждающего воздуха) для увеличения теплосъема. Внутреннюю поверхность выполняют гладкой, как правило, с нанесением теплозащитного покрытия.

Вторая - двухслойная (см. Рис. 6.42). Здесь наружная стенка 1 выполняется с мелкими отверстиями 2, через которые охлаждающий воздух 3 струйками натекает и ударяется о внутреннюю стенку 4. Ударное натекание воздуха увеличивает эффективность охлаждения. Часто при использовании такой

Рисунок 6.41 – Однослойная конвективная система охлаждения 1 – охлаждающий воздух; 2 – ребро

Рисунок 6.42 – Двухслойная конвективная система охлаждения 1 – наружная стенка; 2 - отверстия

подвода охлаждающего воздуха; 3 – охлаждающий воздух; 4 – внутренняя стенка; 5 – ребро