Метрология / Том 2. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок / 7-2-Rabota_FK

ет необходимое для испарения и сгорания время; ухудшается соотношение сил, вызывающих турбулентное перемешивание, и сил вязкости; возрастают энергия и температура воспламенения топлива; усиливается тенденция к затуханию пламени; уменьшается скорость химической реакции в смеси топлива с воздухом. Повышение скорости газового потока также снижает полноту сгорания топлива, поскольку при этом уменьшается время пребывания смеси в зонах горения.

Влияние температуры, давления и скорости газового потока наиболее ощутимо для ТРДДФ, поскольку с изменением условий полета самолета они (особенно по наружному контуру двигателя) могут существенно меняться. Это необходимо учитывать на стадии проектирования (особенно при увеличении степени двухконтурности двигателя).

Основным параметром, определяющим условия для организации процесса горения, является суммарный коэффициент избытка воздуха. Этот коэффициент показывает, во сколько раз фактический расход воздуха (газа), проходящий через ФК, превышает теоретически необходимый для сжигания поданного форсажного топлива. α Σ находится по следующей формуле:

Óбольшинства современных двигателей с ФК

αΣ = 1,05-1,25 на полном форсированном режиме

èα Σ = 1,5-4,8 – на частичном. Максимального зна- чения полнота сгорания достигает при стехиомет-

рическом соотношении воздух/топливо (при зна-

чениях α Σ , близких к 1). При значениях α Σ , находящихся вне концентрационных пределов воспламенения, горение невозможно - полнота сгорания равна нулю.

Количественное влияние вышеуказанных параметров на полноту сгорания топлива определяется конкретной конструкцией ФК.

Полнота сгорания топлива для современных отечественных и зарубежных двигателей с кратковременным ее включением (самолеты-истребители

èсамолеты-штурмовики военной авиации) достигает 0,86-0,92 на полном форсированном режиме.

У ФК двигателей сверхзвуковых бомбардировщиков и пассажирских сверхзвуковых самолетов полнота сгорания на крейсерском форсированном режиме достигает величины 0,94-0,98.

7.2 - Работа ФК

Работу ФК рассмотрим на примере ТРДДФ с наиболее часто встречающейся конструкцией ФК (см. Рис. 7.3) [7.2].

Воздух наружного контура и газ внутреннего поступают в смеситель 1 с «лепестками» 2, где происходит смешение потоков и выравнивание их параметров по давлению, температуре, скорости. Далее поток тормозится в расширяющемся канале, образованном кольцевым диффузором 3 и центральным телом 4. Снижение скорости потока позволяет создать на выходе из диффузора с помощью фронтового устройства 5, образованного плохо обтекаемыми телами V-образного профиля - стабилизаторами 6, циркуляционные зоны, в которые из коллекторов и форсунок 7 подается топливо. Образовавшаяся топливовоздушная смесь (ТВС) воспламеняется с помощью специальной системы розжига (см. раздел 7.6.1). Циркуляционные зоны обеспечивают устойчивое горение на всех режимах работы ФК. Часть относительно холодного воздуха (газа) из пристеночного (периферийного) слоя в диффузоре «забирается» в канал, образованный корпусом 8 и экранами 9. Экраны

Рисунок 7.3 - ФК ТРДДФ (Печатается с разрешения Rolls-Royce plc.)

1 - смеситель; 2 - лепестки смесителя; 3 - кольцевой диффузор; 4 - центральное тело; 5 - стабилиза-

торное фронтовое устройство; 6 - стабилизаторы; 7 - система коллекторов и форсунок; 8 - корпус;

9 - теплозащитные (антивибрационные) экраны; 10 - регулируемое сопло

выполняют теплозащитную и антивибрационную (гасят пульсации давления) функции в ФК и обеспечивают «транспортирование» воздуха для охлаждения элементов проточной части регулируемого

сопла 10.

7.3 - Требования к ФК

Общие требования, предъявляемые к ФК по массе, габаритам, надежности, ресурсу и т.д., аналогичны требованиям, предъявляемым к другим узлам ГТД.

Однако, для ФК есть и специфические требования, основными из которых являются:

- соответствие термодинамических характеристик – заданным величинам степени форсирования, полноты сгорания топлива в ФК, уровню потерь полного давления на бесфорсажных режимах

èфорсированных режимах;

-обеспечение надежного и безотказного, с первой попытки, розжига в требуемом диапазоне высот

èскоростей полета с выходом на полный форсированный режим в течение заданного промежутка времени (обычно от 3 до 8 секунд с момента установки ручки управления двигателем на полный форсированный режим);

-обеспечение надежной, устойчивой работы без срывов пламени, вибрационного горения и нарушения газодинамической устойчивости двигателя на стационарных и переменных форсированных

режимах.

7.4 - Схемы ФК

Схема ФК выбирается в зависимости от типа двигателя, заданных характеристик и условий эксплуатации. Рассмотрим подробнее признаки, по которым ФК могут быть условно классифицированы.

По типу двигателя. ФК могут применяться на ТРДФ или ТРДДФ. До середины 70-х годов прошлого века ФК применялись, в основном, для ТРДФ. А позднее ФК стали применятся и для ТРДДФ (см. Рис. 7.3). Применению ФК в составе ТРДДФ способствует:

-наличие достаточного количества кислорода (за счет воздуха, поступающего в ФК из наружного контура двигателя), дающее возможность получения более высоких степеней форсирования;

-наличие в периферийной части ФК достаточ- ного количества относительно холодного воздуха наружного контура, облегчающее организацию охлаждения корпусов и экранов;

-возможность более экономичного использо-

вания форсажного топлива на различных режимах от крейсерского до полного форсированного.

В то же время в ФК ТРДДФ необходимо применение смесительного устройства, что увеличи- вает длину и вес ФК и двигателя в целом. Кроме этого, для ФК ТРДДФ характерна «прямая» аэродинамическая связь через наружный контур с КНД, повышающая чувствительность КНД к возникающим возмущениям давления в ФК на переменных режимах.

Êположительным особенностям применения ФК в составе ТРДФ можно отнести:

- относительно равномерные поля параметров потока газа на входе (температур, давлений и скоростей);

- высокое значение температуры потока газа на входе, повышающее интенсивность испарения топлива и облегчающее розжиг ФК;

- отсутствие необходимости применения смесителя, что сокращает длину и вес ФК.

Êотрицательным особенностям применения ФК в составе ТРДФ можно отнести:

- пониженное содержание кислорода на входе из-за наличия балластных газов после основной КС, что приводит к ограничению по величине степени форсирования и необходимости обеспечения более тщательного распределения топлива по се- чению для организации устойчивого процесса горения при околостехиометрических соотношениях воздух/топливо;

- отсутствие на периферии камеры относительно холодного воздуха наружного контура, что затрудняет организацию охлаждения корпусов

èэкранов ФК.

По уровню параметров газа на входе ФК ТРДФ аналогичны основным КС, отличаясь от них более низкими концентрацией кислорода и давлением и, как правило, более высокой температурой.

По месту подвода тепла. В современных двигателях наиболее часто применяются ФК с подводом тепла за турбиной (см. Рис. 7.3). Для ТРДДФ теоретически возможен подвод тепла в наружном контуре двигателя (такие ФК в современных двигателях, практически, не применяются).

По способу стабилизации пламени:

-за счет плохообтекаемых тел (см. раздел

7.4.1);

-с вихревой стабилизацией пламени (см. раздел 7.4.2);

-с аэродинамической стабилизацией пламени (см. раздел 7.4.3).

По типу смесителя (для ТРДДФ) (подробнее см. раздел 7.5.1):

-с кольцевым смесителем;