Метрология / Том 2. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок / Glava6-6-1-Kamery_sgoranija_GTD-Trebovanija_KS

Глава 6 – Камеры сгорания ГТД

«простом» термодинамическом цикле ГТД (см.главу 2) на участке К-Г (см. Рис. 6.1) к потоку рабочего тела подводится тепло.

ÂГТД этот процесс осуществляется в камере сгорания (КС) (см. Рис. 6.2). Тепло подводится за счет сгорания топлива, то есть преобразования химической энергии топлива в тепловую, при этом температура рабочего тела возрастает от значения

ÒÊ* (за компрессором) до ÒÃ* (на входе в турбину). Реальный процесс в КС отличается от идеаль-

ного наличием потерь давления от Ð*Ê äî Ð*Ã . Потери давления в КС складываются из гидравли- ческих потерь (потерь трения) и потерь от подвода тепла к потоку рабочего тела. Гидравилические потери в свою очередь можно разделить на составляющие потери:

- в диффузоре, - в кольцевых каналах,

- на втекание воздуха в отверстия жаровой трубы и элементы фронтового устройства (ФУ),

- на смешение струй.

Как видно из диаграммы, приведенной на Рис. 6.1, гидравлические потери частично компенсируются, т.к. работа трения преобразуется в тепло, которое возвращается в работу термодинами- ческого цикла. Однако потери давления в КС приводят к уменьшению степени понижения давления газа в турбине и сопле и, соответственно,

êуменьшению полезной работы и к.п.д. цикла. Кроме потерь давления процессы в КС сопро-

вождаются потерями тепла за счет его рассеивания в окружающее пространство и за счет неполного сгорания топлива.

Потери тепла в окружающее пространство по сравнению с количеством тепла, подводимым к рабочему телу в, КС ТРД составляют 0,005…0,01%. А в ТРДД эти потери отсутствуют, т.к. тепло от корпуса КС подводится к воздуху наружного контура, и, таким образом, участвует в работе цикла.

Экономичность двигателя находится в прямой зависимости от полноты сгорания топлива. В современных ГТД процесс сгорания топлива в КС достаточно хорошо организован, поэтому полнота сгорания топлива в них достигает величины η Ã = 0,995…0,999. При термодинамических расче- тах двигателя тепло, подведенное к рабочему телу, вычисляется сразу с учетом полноты сгорания топлива в КС. Для увеличения эффективности двигателя и КС, в частности, на стадии проектирования решаются задачи по минимизации потерь.

Рисунок 6.1 - Подвод тепла в цикле ГТД

-площадь 2КГ32 – сумма внешнего тепла и тепла трения, лежащая под линией КГ реального подвода тепла в КС (Q);

-площадь 2’К’Г32’ – внешнее тепло (Q1), определенное тем же интервалом температур (Тг – Тк) с учетом полноты сгорания;

-площадь 2КГК’2’ – тепло трения

âреальном процессе подвода тепла

âÊÑ

Особенностью узла КС является то, что происходящие в нем процессы распыла топлива, перемешивания топлива с воздухом, горения топливовоздушной смеси, теплообмена - сложны. Даже новейшее программное обеспечение, позволяющее в настоящее время рассчитывать до тысячи протекающих при работе КС химических реакций, описывает эти процессы не в полной мере. Как следствие - результаты расчетов недостаточно точны. Здесь следует заметить, что в расчетах КС используется большое число эмпирических зависимостей и коэффициентов, которые определены для конкретной конструкции и требуют корректировки при расчете другой. В связи с этим для получения требуемых характеристик КС требуется большой объем дорогих экспериментально-доводочных работ. Рабочий проект формируется в результате нескольких этапов расчетов и экспериментально-до- водочных работ, в том числе - по подтверждению работоспособности смежных узлов, например, турбины.

Рисунок 6.2 – КС Двигателя ПС-90А

6.1 – Требования к КС

КС – часть ГТД, и к ней предъявляются те же общетехнические требования, что и ко всему двигателю и другим его узлам. Это требования по массе, надежности, технологичности и т.д. (см. раздел 2.3).

К КС кроме общих требований предъявляются специфические требования. Рассмотрим их подробнее.

Минимальные габаритные размеры КС. Они влияют на продольные и поперечные размеры двигателя, и следовательно - на его массу. Обычно габариты КС (т.е. е¸ объем) характеризуются вели- чиной удельной теплонапряженности QV, которая равна отношению количества тепла, выделившегося в единицу времени, к объему жаровой трубы и давлению на входе в КС:

ãäå ÍU - низшая теплотворная способность топлива (Дж/кг);

GT - секундный расход топлива (кг/с); VÆ - объем жаровой трубы (ì3);

ÐÊ* - давление воздуха (Па).

Чем больше теплонапряженность при заданном расходе топлива, тем меньше объем КС. Теплонапряженность КС современных ГТД составляет (3,5…6,5)106 (Äæ/÷ ì3 Ïà).

Высокая полнота сгорания топлива на всех режимах работы двигателя. Полнота сгорания топлива характеризуется коэффициентом полноты сгорания η Ã, под которым обычно понимают отношение количества тепла, выделившегося при сгорании единицы массы топлива, к его теплотворной способности.

Минимальные потери полного давления в КС. Потери характеризуются коэффициентом восстановления полного давления:

В современных КС коэффициент восстановления полного давления составляет 0,94…0.96.

Широкие пределы устойчивого горения. Пределы устойчивого горения определяются условиями эксплуатации самолета. Пламя не должно погасать в заданном диапазоне изменения отношения топлива/воздух, давления, скорости и при попадании на вход двигателя воды, льда и посторонних предметов.

Надежный розжиг топлива в земных и высотных условиях. В земных условиях розжиг должен быть обеспечен в диапазоне температур от минус 40° до плюс 40°С. Должен быть обеспечен розжиг топлива в условиях высокогорного аэродрома – до высоты 4,5 км. Высотность розжига для гражданских самолетов – 9 км.

Отсутствие пульсаций давления (вибрационного горения).

Поле температур на выходе из КС. Поле температур должно в радиальном направлении иметь эпюру, определяемую предельно допустимыми напряжениями в рабочих лопатках турбины и соплового аппарата. Конкретный характер эпюры температур по радиусу лопатки выбирают в зависимости от конструктивных особенностей турбины (величины и формы рабочей лопатки, ее материала, способа охлаждения и т.д.).

Рабочая лопатка турбины при своем вращении воспринимает среднюю температуру за КС. Поэтому для оценки неравномерности поля температур, воздействующих на рабочие лопатки, необходимы температуры, осредн¸нные на i-м радиусе. Такая неравномерность задается радиальной эпюрой (см. Рис. 6.3) относительных средних избыточных температур (определения даны в соответствии с отраслевым стандартом [6.1]):

ãäå θ iCP - относительная средняя избыточная температура газа на i-м радиусе выходного сечения КС;

Ò*Ãi- средняя температура на i радиусе;

Ò*Ã - средняя температура газа на выходеиз КС; Ò*Ê- температура воздуха на входе в КС.

Кроме того, для обеспечения работы лопаток соплового аппарата турбины задается радиальная эпюра максимальных относительных избыточных температур газа на выходе из КС, которая определяется как:

выходного сечения КС;

Максимальная неравномерность поля температуры газа за КС характеризуется величиной, называемой максимальной относительной избыточ-

ãäå Ò*Ãmax- максимальное значение температуры газа за КС

Уровень выбросов. Уровень выбросов дыма (SN (Smoke number)), несгоревшего топлива и газообразных веществ, загрязняющих атмосферу - оксидов азота (NOx), оксидов углерода (СО), несгоревших углеводородов (НС) - должен соответствовать международным нормам ИКАО [6.2] и Авиационным правилам [6.3].

На элементах конструкции КС не должен откладываться нагар.

Способность работать на различных топливах как отечественных, так и зарубежных.

Рисунок 6.3 – Радиальные эпюры температур газа за КС

6.2 – Схемы КС

При всем разнообразии конструкций КС ее схему и происходящие в ней процессы можно представить следующим образом (см. Рис. 6.4 и 6.5). Воздух поступает из компрессора в КС с большой скоростью - в современных двигателях до 150 м/с. Потери полного давления в КС при подводе тепла к - потоку, движущемуся с такой скоростью, были бы недопустимыми и достигали бы четвертой части по-