Топлива и рабочие процессы в

ТОПЛИВА И РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ В

АВИАЦИОННЫХ И РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

 

 

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

ДЛЯ СТУДЕНТОВ НАПРАВЛЕНИЯ 160100.62

«АВИА- И РАКЕТОСТРОЕНИЕ»

 

 

Издательство

Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2013

Автор А.А. Григорьев

ТОПЛИВА, ПРИМЕНЯЕМЫЕ

В ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ (ВРД)

Топливо авиационное – вводимое вместе с воздухом в камеру сгорания двигателя летательного аппарата (ЛА) для получения тепловой энергии в процессе окисления кислородом воздуха (сжигания).

В ВРД используются реактивные топлива, вырабатываемые из среднедисциллятных фракций нефти, выкипающих при температуре 140 – 280 ^о С. По способу получения реактивные топлива делятся на прямопергонные и гидрогенизационные. Первые (Т-1, ТС-1, Т-2) получаются непосредственно из отогнанных фракций нефти без их глубокой переработки. Технология получения вторых включает такие процессы, как гидроочистку (РТ, Т-8В, Т-6), глубокое гидрирование (Т-6), гидрокрекинг (Т-8В). При гидроочистке из нефтяного дисциллята удаляются агрессивные и содержащие серу, азот и кислород, нестабильные соединения практически без изменения углеводородного состава топлива. При гидрокрекинге и гидрировании наряду с очисткой исходного сырья происходит изменение его углеводородного состава.

Применение гидрогенизации процессов при производстве реактивных топлив позволяет расширить сырьевую базу топлив и значительно повысить их термостабильность.

К качеству реактивных топлив предъявляются следующие требования:

 

§ высокая теплотворная способность H _u (количество тепла, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива). H _u = (43100…43900) кДж/кг или (10300…10500) кал/кг – весовая теплотворная способность (авиационный керосин);

§ низкая температура начала кристаллизации (менее  – 60 ^оС);

§ низкая вязкость при минусовых температурах;

§ высокая термостойкость;

§ высокие антикоррозионные свойства;

§ отсутствие нагарообразования;

§ большой срок хранения;

§ отсутствие воды и механических примесей;

§ широкий эксплуатационный диапазон температур и давлений;

§ хорошие пусковые свойства (надежный запуск при низких температурах окружающей среды);

§ высокая плотность (возможность взять бóльшую массу топлива в ограниченный объем баков).

Наиболее удовлетворяют предъявленным требованиям авиационные керосины:

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

Т-2 – обладает средним уровнем термической стабильности (≤ 100 ^оС). 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). Т-2 является резервным по отношению к топливу ТС-1 и 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 испаряемость). Имеет высокий уровень термической стабильности (≤ 300 ^оС) и применяется в сверхзвуковой АТ.

Т-8В характеризуется повышенной плотностью и высокой термостабильностью и является резервным по отношению к топливам РТ и Т-6.

Стехиометрический коэффициент для ТС-1 и РТ – L ₀= 14,7 кг_возд/кг_топл,
Т-2 – L ₀ = 14,9 кг_возд/кг_топл, Т-6 – L ₀ = 14,6 кг_возд/кг_топл.

Низшая теплотворная способность H _u для ТС-1, РТ, Т-2, Т-6 находится в диапазоне – (42900…43300) кДж/кг.

В ТВаД наземного применения в качестве топлива используют природный (топливный) газ с L ₀ = (16,7…17) кг_возд/кг_топл и H _u ≈ 45640 (бутан) …50060 (метан) кДж/кг.

Для работы гиперзвуковых прямоточных двигателей планируется применять криогенное топливо на основе жидкого водорода.

КАМЕРАХ СГОРАНИЯ (КС) ВРД

Основные понятия о процессе горения в КС ВРД

В ВРД процесс подвода тепла к рабочему телу (воздуху) осуществляется в основной и форсажной КС (ОКС и ФК), и представляет собой процесс сгорания топлива в воздухе.

Процесс сгорания топлива – это совокупность химических реакций окисления, приводящих к превращению химической энергии топлива в тепловую энергию, а самого топлива в газообразные вещества (продукты сгорания).

Протекание процесса горения в КС ВРД и параметры продуктов сгорания (ПС) в значительной мере зависят от состава топливо- воздушной 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 H _u. H _u – это количество тепла, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива без учета тепла конденсации содержащихся в ТВС паров воды.

Наименьшее количество воздуха потребное для полного сгорания 1 кг топлива L ₀ – стехиометрический коэффициент.

L ₀ ≈ 14,7 кг – для авиационного керосина,

L ₀ ≈ 17 кг – для топливного газа.

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 (Т _{ПС max}).

В реальном ВРД к 1 кг топлива подводится количество воздуха L, отличное от L ₀. Соотношение количества воздуха и топлива в ТВС оценивается с помощью коэффициента:

α = L / L ₀ – коэффициент избытка воздуха в ТВС.

При L = L ₀, следовательно, α = 1 – ТВС теоретическая (стехиометрическая).

При L < L ₀, следовательно, α < 1 – ТВС богатая (избыток топлива или недостаток воздуха).

При L > L ₀, 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 топлива – Т _{ПС max} (рис. 1.1).

При избытке одного из компонентов ТВС не прореагировавшая часть избыточного компонента охлаждает ПС (Т _ПС < Т _{ПС max}).

При Т _ПС < Т _{ПС min} (Т _{ПС min} – температура активации химической реакции горения) горение становится невозможным, и происходит срыв пламени по богатой или бедной смеси.

В Основных камерах сгорания (ОКС) реальных ВРД, обычно, ТВС – бедная (α >> 1) и значения α находятся в зоне невозможного горения (см. рис. 1.1). Поэтому приходится применять конструктивные решения для организации процесса устойчивого горения.

Количество не прореагировавшего топлива в КС оценивается с помощью коэффициента полноты сгорания топлива η_г = Q / Q ₀, где Q – количество тепла, реально выделившееся в КС при сгорании одного килограмма топлива; Q ₀ – количество тепла, которое выделилось бы при полном сгорании одного килограмма топлива.

 

 

Трубчато-кольцевая КС

Трубчато-кольцевая КС (рис. 1.3, б) состоит из нескольких жаровых труб 2, соединенных пламеперебрасывающими патрубками 3 и имеющих общий корпус: внутренний 4, наружный 1.

 

 

 

                  а                                  б                                     в

 

Рис. 1.3. Компоновочные схемы КС (поперечный разрез): а – трубчатая; б – трубчато-кольцевая; в – кольцевая

 

Преимущества:

– более равномерные (чем у ИКС) поля скоростей и температур на выходе из КС;

– более рациональное использование объема двигателя;

– 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, изготовлении и замене жаровых труб.

Кольцевая КС

Кольцевая КС (рис. 1.3, 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 ГТД используются, в основном, кольцевые КС.

1.1.4. Организация процесса горения в КС ГТД

Пульсационное горение

Низкочастотные колебания в ФК, называемые пульсационным горением (ПГ), возникают из-за срыва пламени на отдельных участках фронта горения.

Причиной ПГ является ухудшение распыла топлива при малых перепадах давления на форсунках Δ р _ф (малые М _т.ф).

Наиболее вероятно возникновение ПГ при полете на больших высотах Н с малыми числами М, так как при увеличении высоты полета ,  следовательно, ухудшается распыл топлива, замедляется из-за снижения турбулентности процесс перемешивания ТВС, снижается интенсивность теплопередачи, замедляется распространение пламени.

Признак ПГ – толчки в продольном направлении из-за изменения тяги.

Методы устранения ПГ:

– переход на повышенный форсажный режим ,

– изменение условий полета .

Ограничение – запрет дросселирования  на больших Н полета.

Реактивное сопло

Скоростей в сопле

 

Первое условие – сопло сужающееся.

При движении в сопле, газ расширяется, совершая работу по разгону потока. Вследствие превращения части энтальпии в кинетическую энергию увеличивается скорость, уменьшается давление и температура.

В случае, когда давление на срезе сопла равно атмосферному давлению (р _с = р _н), расширение газа называют полным, а  – полной степенью расширения газа в сопле. При увеличении давления на входе в сопло  будет расти , следовательно – расти c _с. При некотором значении  скорость на срезе сопла c _с достигнет значения c _кр. Дальнейшее увеличение  не приведет к росту c _с > c _кр, так как для разгона газа до c _с > c _кр канал должен расширяться.

Второе условие:

 – скорость на срезе сопла c _с – дозвуковая;

 – скорость на срезе сопла равна местной скорости звука.

Для определения значение  запишем:

 

,                          (1.12)

так как в критическом сечении F _кр, M=1, то:

 

,                          (1.13)

учитывая, что: , получим

 

                                 (1.14)

 

Для газа, истекающего из ТРД (к = 1,33), = 1,86

Назначение и выбор типа РС

РС является основной частью ВУ ВРД и предназначено для преобразования части энтальпии газового потока после ГТ в кинетическую энергию струи газа, истекающей из двигателя (создание реактивной тяги).

Выбор типа РС (дозвуковое или сверхзвуковое) определяется в первую очередь полной степенью расширения газа в РС – .

Величина  зависит от типа ВРД, режима его работы и параметров полета.

При дозвуковых скоростях полета у ТРД и ТРДД с сужающимся РС: = 6…7 (Н ≥ 11 км); = 2,5…3,0 (Н = 0).

Максимальная тяга двигателя с сужающимся РС R _max достигается при

(р _с = р _н; с _с = с _кр),

где = 1,86, при к _г= 1,33.

При  сужающееся РС работает на режиме недорасширения (см. рис. 1.13, б). При незначительном превышении  >  потери из-за недорасширения невелики, поэтому выгодно применять сужающиеся сопла, отличающиеся простой конструкцией и малым весом.

Сужающиеся сопла применяются при полете на дозвуковых и малых сверхзвуковых (М < 1,3) скоростях.

Так как температура на срезе РС Т _с > Т _н, то критическая скорость истечения газа из РС  – скорости звука в атмосфере, следовательно, на малых сверхзвуковых скоростях полета удельная тяга
R _уд = с _кр – V > 0, где V = а М, сле­довательно, R > 0, и разгон ЛА до сверхзвуковой скорости возможен.

При  потери из-за недорасширения в сужающемся РС существенно возрастают и, целесообразно применять сверхзвуковое РС (сопло Лаваля).

Сверхзвуковое РС

Для увеличения тяги R необходимо увеличивать c _c, увеличивая степень расширения газа в сопле , и сохранять при этом режим полного расширения . Этого возможно добиться с применением сверхзвукового РС (рис. 1.17).

При ,  реализуется в сужающейся части сверхзвукового РС. Так как , то суммарная степень понижения давления в сопле Лаваля  будет определяться степенью понижения давления в его сверхзвуковой (расширяющейся) части , которая зависит от степени уширения сопла:

                                     (1.15)

Максимальная тяга R _max достигается при равенстве , соответствующем расчетному режиму работы РС (p _с = р _н).

При  (p _с > р _н) – режим недорасширения.

При  (p _с < р _н) – режим перерасширения.

На нерасчетных режимах работы сверхзвукового РС:

 (p _с > р _н) – режим недорасширения;

 (p _с < р _н) – режим перерасширения,

имеет место недополучение тяги двигателя. Особенно большие потери тяги наблюдаются на режиме перерасширения.

Для поддержания расчетного режима (p _с = р _н) необходимо регулировать величину (F _кр, F _c) при изменении условий полета и режима работы ВРД.

Потери энергии в РС

Критерии оценки потерь в РС:

– коэффициент скорости

 

φ _с = с _с/ c _c.ад ≈ 0,97…0,985,                           (1.16)

 

оценивает потери скорости в РС, то есть скорость истечения из реального РС:

 

;             (1.17)

– коэффициент сохранения полного давления в РС

 

;                                         (1.18)

– кпд РС

 

,                                    (1.19)

 

оценивает потери кинетической энергии в РС.

Виды потерь в сверхзвуковых РС:

– внутренние потери;

– потери, связанные с нерасчетностью режима работы РС;

– потери на преодоление внешнего сопротивления ВУ.

 

Внутренние потери

 

1. Потери на трение (гидравлические потери).

В сверхзвуковых РС потери на трение (оцениваются φ_тр) значительны, так как в расширяющейся, достаточно длинной части РС течет сверхзвуковой поток.

Для снижения этого вида потерь можно применить эжекторные сопла, в которых расширение газа за критическим сечением происходит в границах свободной струи без стенок.

2. Потери, связанные с рассеиванием выходной скорости (для конических каналов) (рис. 9.2), где 2α – угол раствора; с _а.ср = с _сφ_рас – средняя осевая составляющая скорости.

Величина коэффициента рассеивания –  зависит от угла α и определяется по табл. 1.2.

При увеличении угла α, следовательно, уменьшении φ_рас, снижается с _а.ср (при с _с = const)

При проектировании РС рекомендуется выбирать значения угла α ≤ 25…30^о

 

 

Таблица 1.2

 

α, град	0	5	10	20
φрас	1,0	0,998	0,992	0,97

Для уменьшения этого вида потерь у сопел с большой степенью расширения газа  стенки расширяющейся части профилируют по форме свободно расширяющейся струи газа (см. рис. 1.18) с осевым выходом потока.

3. Волновые потери (φ_волн) возникают в сверхзвуковой (расширяющейся) части РС из-за появления скачков уплотнения при неравномерном входе потока.

Для уменьшения волновых потерь переход между дозвуковой и сверхзвуковой частями РС делают плавным (по дуге с большим радиусом)
(см. рис. 1.18).

4. Потери, связанные с неравномерностью поля давлений по сечению сопла (φ _р).

5. Тепловые потери, связанные с теплоотдачей через стенки сопла (φ_тепл).

Суммарные внутренние потери сверхзвукового РС φ _с определяются как произведение:

φ_с = φ_тр φ_рас φ_волн φ _р φ_тепл.                           (1.20)

Потери, связанные с нерасчетностью режима работы РС

 

Этот вид потерь оценивается при помощи коэффициента нерасчетности режима работы сопла:

,                                        (1.21)

где R _c = М _г с _с + F _с(р _с – р _н) – тяга сопла;

R _с.п = М _г с _с – тяга сопла при полном расширении (расчетный режим).

На расчетном режиме = 1, так как R _c = R _с.п.

Для оценки суммарных потерь (φ_с и ) вводят комплексный критерий – коэффициент тяги сопла:

,                                       (1.22)

где R _с.ид – тяга идеального сопла (полное расширение = 1 и отсутствие внутренних потерь φ_с = 1).

В общем случае

.                                          (1.23)

На расчетном режиме , так как .

 

Потери, связанные с преодолением внешнего сопротивления ВУ.

 

Этот вид потерь оценивается с помощью коэффициента внешнего сопротивления ВУ:

,                                    (1.24)

где Х _с – суммарное внешнее сопротивление РС или ВУ в целом.

Наличие внешнего сопротивления ВУ Х _с вызвано взаимодействием внешнего потока, обтекающего ВУ, и струи газов, истекающей из РС, а также аэродинамическим сопротивлением и зависит от числа М полета, полной степени расширения газа в РС  и формы наружного контура кормовой части ВУ.

Суммарные потери в ВУ оценивают с помощью коэффициента эффективной тяги РС:

.                       (1.25)

Регулирование РС

В задачи регулирования РС входят:

– поддержание необходимого значения ;

– уменьшение влияния ФК на турбокомпрессорную часть при работе двигателя на форсажных режимах;

– уменьшение потерь тяги из-за недорасширения или перерасширения;

– увеличение запаса устойчивости ОК Δ K _у на пониженных режимах работы (малые n) и при запуске двигателя;

– уменьшение времени переходных процессов двигателя при переходе на повышенные или пониженные режимы .

Способы регулирования РС (рис. 1.20):

 

 

Рис. 1.20. Способы регулирования РС: а – дозвуковое РС; б – сверхзвуковое РС

– регулирование створок дозвукового сопла (рис. 9.4, а);

– регулирование створок сопла Лаваля (рис. 1.20, б);

При регулировании дозвукового сопла или сопла Лаваля с помощью поворотных створок наряду со снижением потерь от нерасчетности режима работы РС  возрастают внутренние потери  из-за неровностей мест сочленения створок и утечек газа в них, поэтому  возрастает не столь значительно, как можно было бы ожидать.

Кроме того, регулируемое сопло Лаваля получается слишком сложным, особенно в двигателях с ФК из-за высоких значений температуры .

Приведенные выше причины определили необходимость поиска альтернативных сопел, например эжекторных (см. рис. 1.21).

 

 

Рис. 1.21. Регулирование эжекторного РС

 

Основным параметром эжекторного сопла является коэффициент эжекции:

K _эж = М ₂/ М ₁,                                          (1.26)

где М ₂ – вторичный поток атмосферного воздуха, необходимый для обеспечения безударной встречи первичного потока М ₁ с обечайкой 2 и охлаждения сопла.

Применение створок 3 позволяет в сопле, рассчитанном на большие числа М полета, предотвратить перерасширение газа на дозвуковых скоростях полета за счет подвода в сопло дополнительного расхода воздуха М ₃. Граница расширяющейся струи при этом не достигает поверхности обечайки 2 и через образовавшийся зазор во вторичном контуре, за срезом насадка, устанавливается давление р _н. РС начинает работать как дозвуковое сужающееся сопло.

Способы регулирования эжекторного сопла (см. рис. 1.21):

 

– регулирование расхода воздуха М ₂;

– регулирование створок 1 на обечайке сопла и 2 на насадке;

– использование створки 3 подпитки дополнительным воздухом М ₃.

Управление вектором тяги

Реверсивные устройства (РУ)

РУ предназначены для улучшения взлетно-посадочных характеристик ЛА (уменьшение длины пробега) и его маневренности в полете и на земле (при рулении) за счет поворота потока газа из сопла в направлении полета ЛА.

Отрицательная тяга создается за счет поворота реактивной струи с помощью специальных отклоняющихся решеток перед РС (рис. 1.22), или отклоняющихся створок за РС (рис. 1.23).

 

 

Рис. 1.22. Реверсивное устройство решетчатого типа

 

 

Рис. 1.23. Реверсивное устройство створчатого типа

 

РУ решетчатого типа имеют меньшую массу, но большее гидравлическое сопротивление в выключенном положении и меньшую обратную тягу R _обр.

В ТРДД с большой степенью двухконтурности РУ решетчатого типа устанавливаются в наружном контуре.

Эффективность реверсивного устройства оценивается степенью реверсирования тяги:

,                                         (1.27)

где R _обр – величина обратной тяги.

При = 0,6, длина пробега уменьшается в 2…2,5 раза.

Девиаторы тяги (ДТ)

ДТ предназначены для управления вектором тяги в полете и на земле путем отклонения струи газа, истекающей из реактивного сопла.

ДТ позволяют улучшить маневренность, повысить точность при боевом применении, улучшить взлетно-посадочные характеристики ЛА (укороченный или вертикальный взлет и посадка).

Девиация тяги осуществляется с помощью отклоняемых створок РС или специальных насадков на сопле (дефлекторов) (рис. 1.28).

 

ТОПЛИВА, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В

РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ (РД)

ТОПЛИВА И РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ В