Неравномерность температурного поля

 

Рис. 4.21. Окружная неравномерность температурного поля на среднем радиусе выходного сечения камеры сгорания

Поле температур газа в выходном сечении камеры сгорания определяется по результатам ее специальных испытаний с помощью устанавливаемой на выходе поворотной гребенки, по высоте которой расположены 5 … 7 термопар. В процессе испытаний гребенка поворачивается в окружном направлении с шагом
3... 4º, обеспечивая замер температуры в четырехстах … восьмистах точках сечения Г.

Замеренные каждой тер­мопарой величины Т *г i строятся в виде развертки по оси абсцисс (рис. 4.21) и определяются максимальная Т * max i, минимальная Т * min i и средняя Т * ср i температуры на этом радиусе (высоте `h i). Вычисляется их отличие от среднемассовой температуры в долях от подогрева газа (Т * г– Т * к) в камере сгорания Q max i, Q min i, Q ср i (4.7). Величины Q i строят по высоте `h выходного сечения камеры (лопатки турбины) и получают, таким образом, характеристику радиальной неравномерности температурного поля (рис. 4.22).

Рис. 4.22. Изменение величин q i по высоте выходного сечения камеры

Из рис. 4.21 видно, что максимальная температура газа Т * maxна среднем радиусе на ~200... 250 К выше ее среднего значения на данном радиусе. С учетом такого превышения рассчитываются на прочность сопловые лопатки турбины, так как на каждую такую лопатку воздействует не среднемассовая, а действительная температура газа в данной точке пространства. Рабочая лопатка турбины воспринимает на данном радиусе среднюю температуру и рассчитывается с учетом ее радиального изменения.

Из представленных рисунков видно: температурное поле весьма неравномерное, что является прежде всего следствием дискретного подвода в камеру сгорания как топлива, так и воздуха. Поэтому неравномерность поля зависит, во-первых, от типа камеры сгорания (трубчатая, трубчато-кольцевая, кольцевая) и числа форсунок. Кольцевые многофорсуночные камеры сгорания имеют существенно более равномерное поле, в чем их главное преимущество [11].

Рис. 4.23. Зависимость максимальной неравномерности температурного поля от степени раскрытия F o / F к

Во-вторых, неравномерность поля является следствием незавершенности процессов смешения продуктов сгорания с воздухом и зависит поэтому от степени раскрытия камеры сгорания F о / F к, которой называют отношение суммарной площади отверстий в жаровой трубе к площади сечения на входе в камеру. Уменьшение величины F о / F к ведет к увеличению скорости струй воздуха, втекающего в жаровую трубу через крупные отверстия в ее стенках, увеличению их проникающей способности, повышению интенсивности смешения продуктов сгорания с воздухом, а следовательно к снижению неравномерности температурного поля (рис. 4.23). При этом, однако, увеличиваются гидравлические потери, т. е. более равномерное поле температур достигается при прочих равных условиях ценой снижения коэффициента восстановления давления s к.с.

Рис. 4.24. Поле температур на выходе из камеры сгорания Т *г ср: 1 – 1495; 2 – 1390 К; 3 – 1295; 4 – 1200 К

Кроме того, неравномерность температурного поля часто имеет локальное происхождение, связанное с отрывами воздушного потока в диффузоре камеры сгорания и при обтекании лобовой части жаровой трубы, с неточностями в установке форсунок и их неидентичностью, неудачным сочетанием числа форсунок с числом крупных отверстий в жаровой трубе. Выявлению и анализу причин происхождения неравномерности может помочь поле температур, построенное в виде некоторой топографической карты с нанесенными изолиниями температур Т * г i = const (рис. 4.24). Оно дает наглядное представление о местах расположения и размерах "горячих пятен", позволяет лучше понять причины их возникновения и наметить пути к устранению.

Таким образом, картина неравномерности температурного поля необходима как для оценки прочности и повышения надежности турбины и самой камеры сгорания, так и для анализа и улучшения внутрикамерных процессов с целью повышения эффективности камеры и улучшения ее экологических характеристик.

 

Резюме

(по теме "Камеры сгорания")

 

1. В качестве топлива воздушно-реактивных двигателей преимущественное распространение получил керосин – углеводородное топливо нефтяного происхождения (С ≈ 85 %; H ≈ 15 %). Он характеризуется высокими значениями низшей удельной теплоты сгорания H u ≈ 42900 кДж/кг и плотности r т ≈ 800 кг/м³ и в наибольшей степени удовлетворяет другим технико-экономическим и экологическим требованиям.

2. Коэффициент избытка воздуха a (которым называют отношение расхода воздуха, действительно проходящего через камеру сгорания, к расходу, теоретически необходимому для полного сгорания подаваемого топлива) и параметры рабочего тела на входе в камеру сгорания (температура Т *к, давление p *к и скорость потока c к) являются основными параметрами, определяющими режим работы. Величинами a и Т *к практически однозначно определяется температура газа перед турбиной Т *г, которая характеризует режим работы как камеры сгорания, так и двигателя в целом.

3. Качество работы камеры сгорания оценивается по показателям эффективности (коэффициентам полноты сгорания топлива h г = Q 1 / q т H u и восстановления полного давления s кс = p *г / p *к), диапазону устойчивой работы (разности между максимальным a max и минимальным a min значениями коэффициентов избытка воздуха при различных параметрах режима), неравномерности температурного поля в выходном сечении и экологичности (содержании вредных веществ в продуктах сгорания).

4. Относительный расход топлива q т (отношение расхода топлива к расходу воздуха, проходящего через камеру сгорания), который однозначно определяется коэффициентом избытка воздуха (q т = 1 / a L 0) и широко используется в термогазодинамических расчетах, пропорционален разности температур Т *г – Т *к, т.е. теплоподводу, и обратно пропорционален произведению удельной теплоты сгорания и коэффициента полноты сгорания топлива H u h г. Величина q т, а следовательно и a, в различных условиях эксплуатации задаются режимом работы двигателя и внешними условиями.

5. Величина максимальной (с термодинамической точки зрения) температуры газа перед турбиной (a = 1) определяется главным образом полной температурой воздушного потока перед камерой сгорания и отношением теплоты сгорания топлива к произведению стехиометрического коэффициента и удельной теплоемкости рабочего тела H u / (L 0 c p кс). Для современных углеводородных топлив величина Т *г maxдостигает примерно 2700 К (при Т *к ≈ 900 К).

6. Топливовоздушная смесь в зоне горения камеры весьма неодинакова – изменяется от гомогенной однородной (с местным коэффициентом избытка воздуха a з.г i ≈ 1) до двухфазной (с наличием испаряющихся капель топлива) неоднородной (a з.г ≈ var). Она воспламеняется и сгорает только в определенных достаточно узких концентрационных пределах: гомогенная однородная при a з.г i ≈ 0,6 … 1,7; двухфазная неоднородная – при a з.г i ≈ ≈0,4 … 2,7.

7. Нормальная скорость горения (которой называют скорость распространения фронта пламени в ламинарном потоке гомогенной топливовоздушной смеси) равна u н» 0,5 … 2 м/с, что примерно на два порядка меньше скорости движения воздушного потока на входе в камеру сгорания (за компрессором). Скорость распространения пламени в турбулентном потоке определяется главным образом параметрами турбулентных пульсаций и примерно на порядок больше нормальной скорости горения.

8. Принципиальная схема организации рабочего процесса камеры сгорания определяется необходимостью решения шести основных задач: сближения скоростей распространения пламени и движения потока; согласования коэффициентов избытка воздуха (заданного значения a и потребного в зоне горения a з.г); подготовки горючей смеси нужного состава и газодинамической структуры; воспламенения топлива и стабилизации пламени; формирования температурного поля на выходе из камеры сгорания; охлаждения стенок жаровой трубы. Они решаются с помощью соответственно: диффузора на входе, предназначенного для снижения скорости потока; жаровой трубы, разделенной на зоны горения и смешения; фронтового устройства, системы подачи топлива, форсунок и зоны обратных токов, с помощью которых топливо распыливается, испаряется и перемешивается с воздухом, воспламеняется и поддерживается постоянный очаг пламени; газосборника на выходе из жаровой трубы, в котором снижается температура продуктов сгорания до заданного уровня и обеспечивается приемлемая неравномерность температурного поля на выходе; заградительной пелены из охлаждающего воздуха, обтекающего стенки жаровой трубы.

9. Подача топлива в камеру сгорания, его распыливание и начальное смесеобразование выполняются с помощью форсунок. Наибольшее распространение получили пневмомеханические форсунки с центробежными распылителями и пневматические с предварительным образованием топливной пленки, обеспечивающие средний диаметр топливных капель при распыле 25... 100 мкн.

10. При обтекании потоком V-образного стабилизатора за ним возникают разрежение и, соответственно, зона обратного тока, существенно изменяется макроструктура потока и повышается его турбулизация. Наличие зоны обратных токов является главным условием стабилизации пламени. В основных камерах сгорания зона обратного тока, необходимая для стабилизации пламени, образуется чаще всего закрученными струями воздуха, вытекающими из лопаточных завихрителей, расположенных соосно с топливными форсунками.

11. Зона горения делится на первичную, которая служит для запуска камеры сгорания, подготовки горючей смеси, газодинамической стабилизации фронта пламени и формирования его пространственной структуры (в ней сгорает ~ 40... 70 % топлива), и вторичную, которая служит для доокисления и эффективного сжигания топлива путем насыщения его кислородом вторичного воздуха.

12. С целью повышения эффективности работы камеры сгорания и снижения ее габаритных размеров оптимизируется газодинамическая структура потока горючей смеси и потока рабочего тела в целом. Рабочий процесс оптимизируется и интенсифицируется путем совершенствования конструкции фронтового устройства и форсунок с лопаточными завихрителями, а также путем оптимизации подвода воздуха в зону горения и смешения (выбор диаметров крупных отверстий, их числа и расположения). Интенсивность протекания процессов в камере сгорания характеризуется временем пребывания рабочего тела в ней, которое обычно менее одной сотой доли секунды.

13. Характеристиками эффективности работы камеры сгорания называют зависимости коэффициентов h г и s к.с от параметров режима. Величина h г на расчетном режиме достигает 0,99... 0,995 и изменяется несущественно при изменении a в диапазоне, соответствующем работе двигателя на основных режимах в заданных условиях полета. При значительном отклонении коэффициента a от расчетного значения, а также при уменьшении давления p *к и температуры Т *к рабочего тела ниже соответственно значений ~ 150 кПа и 700 … 800 К или увеличении (уменьшении) скорости потока ск относительно оптимального значения полнота сгорания снижается вплоть до наступления срыва пламени.

14. С помощью коэффициента восстановления полного давления учитываются потери полного давления, обусловленные гидравлическим сопротивлением и подводом тепла s к.с (s ф.к) = s гидр s теп. Он зависит от приведенной скорости на входе в камеру, коэффициента гидравлического сопротивления x и степени подогрева рабочего тела и с их увеличением снижается. Для современных камер сгорания s к.с ≈ 0,94 … 0,96, s ф.к ≈ 0,9 … 0,94.

15. Зависимости максимального a max (бедный срыв пламени) и минимального a min (богатый срыв) коэффициентов избытка воздуха от параметров режима и от свойств смеси называют срывными характеристиками камеры сгорания. Величина a max, в значительной степени определяющая диапазон устойчивой работы камеры сгорания, снизилась от 50... 100 на двигателях 2 – 3 поколений до 10... 20 на современных двигателях, что объясняется увеличением температуры газа перед турбиной (снижением a), повышением однородности смеси в первичной зоне горения и ее забеднением (увеличением a з.г.п). Значительное снижение давления p *к, температуры Т *к или увеличение (уменьшение) скорости потока c к на входе, сопровождающееся соответствующим снижением полноты сгорания, ведет к уменьшению диапазона устойчивой работы (снижению a max и увеличению a min) и заканчивается срывом пламени.

16. Температурное поле в выходном сечении камеры сгорания весьма неравномерно, что является следствием дискретного ввода топлива и воздуха внутрь жаровой трубы и влиянием целого ряда других факторов. Неравномерность поля температур оказывает существенное влияние на прочность и надежность конструкции и поэтому ограничивается как по величине (Т *г.max не должна превышать Т *г более чем на 10... 15 %), так и по форме изменения температуры Т *г по высоте лопатки турбины h л.

 

[1] Определение приведено для углеводородного топлива.

1 Особенности природного газа, который широко применяется в качестве топлива ТВаД на газоперекачивающих станциях, а также других перспективных топлив изложены в [35, 42].