Содержание к диссертации
Введение
I. Общая характеристика современного состояния проблемы и постановка задачи 13
П. Принципы математического моделирования камеры сгорания для расчета характеристик рабочего процесса в ней с помощью предложенной автором критериально-параметрической функции 16
III. Применение разработанных интегральных критериев и параметров к изучению и описанию характеристик процессов в камере сгорания газотурбинной установки 20
III. 1. Принципиальная схема камеры сгорания 20
Ш.2. Характерные размеры и безразмерные геометрические критерии камеры сгорания 21
Ш.З. Объемы реакционных зон камеры сгорания 31
Ш.4.0 минимальном поперечном размере камеры сгорания 33
ф Ш.5. Экспериментально-теоретическое обоснование выбора величины длины части жаровой трубы до отверстий смесителя 38
IV. Интегральный подход к математическому моделированию камеры сгорания 51
IV. 1. Представление о рабочем процессе в камере сгорания 51
IV.2. Интегральная математическая модель камеры сгорания 52
IV.3. Анализ физической сущности критериев, определяющих рабочий процесс в камере сгорания 53
Выводы к разделу III и IV 72
V. Экспериментальное исследование камеры сгорания 77
V.I. Установки и стенды для испытаний камер сгорания 77
V.2. Методика проведения испытаний 79
V.3. Максимальные величины погрешностей при определении параметров в процессе испытаний камер сгорания 80
V.4. Метод обработки экспериментальных данных 81
VI. Характеристики камеры сгорания как функции ее критериев 85
VI.1. Эмиссия оксидов азота 85
VI.2. Эмиссия оксидов углерода 87
VI.3. Эмиссия несгоревших углеводородов и бензопирена 89
VI.4. Уровень дымления камеры сгорания 91
VI.5. Взаимосвязь между единицами, характеризующими уровень токсичности газов на выходе из камеры сгорания 92
VI.6. Коэффициент полноты выгорания топлива 93
VI.7. Зависимость величин коэффициентов неравномерности поля температуры газа на выходе из камеры сгорания от ее критериев 94
VI.8. Зависимость величины коэффициента потерь полного давления в камере сгорания от значений ее критериев 97
VI.9. Тепловое состояние стенок жаровой трубы , 99
Выводы к разделу VI 100
VII. Oсобенности применения интегрального подхода к исследованию нестационарных процессов в камере сгорания 108
VII. 1. Процессы воспламенения и прекращения горения топливовоздушной смеси в камере сгорания 108
VII. 1.1. Процесс воспламенения топливовоздушной смеси в камере сгорания 114
VII. 1.2. Расчет величины медианного диаметра капель распыленного жидкого топлива на режимах запуска двигателя 122
VII.2. Процесс прекращения горения при обеднении и обогащении топливовоздушной смеси в камере сгорания газотурбинного двигателя 126
VII.3. Критерий стабильного течения потока газа в диффузоре камеры сгорания 131
Выводы к разделу VII 138
VIII. Физическое моделирование рабочего процесса в камере сгорания 158
IX. Система уравнений для расчета характеристик камеры сгорания. 164
ІХ.І.Система математических зависимостей характеристик камеры сгорания от ее
критериев 164
ІХ.2. Анализ влияния критериев на характеристики камеры сгорания 170
ІХ.З. Оптимальные значения критериев камеры сгорания 176
X. Концепция проектирования камеры сгорания газотурбинного двигателя 184
Х.1. Анализ технических требований к газотурбинным двигателям 184
Х.2.Совершенная конструкция камеры сгорания в зависимости от назначения двигателя 185
XI. Практическое применение интегральной математической модели камеры сгорания 188
Основные результаты работы
- Характерные размеры и безразмерные геометрические критерии камеры сгорания
- Анализ физической сущности критериев, определяющих рабочий процесс в камере сгорания
- Максимальные величины погрешностей при определении параметров в процессе испытаний камер сгорания
- Уровень дымления камеры сгорания
Введение к работе
В данной работе обоснован интегральный подход к изучению и математическому описанию характеристик потока движущейся сплошной среды при наличии развитых турбулентных пульсаций с источниками тепла и вещества по каналу переменной геометрии. Показано, что этот подход имеет важное прикладное значение для решения технических задач, связанных с проектированием аппаратов, в которых происходят молекулярные, конвективные, турбулентные тепло-массообменные процессы (к таким аппаратам, например, относятся камеры сгорания газотурбинных установок, подогреватели котлов и т.п.).
Хотя, общепризнанным является тот факт, что основной задачей науки, изучающей закономерности процессов, происходящих в сплошной среде, является определение параметров (характеризующих состояние среды) в любой момент времени и в каждой точке пространства, занимаемого этой средой, однако, такой подход не позволяет решать технические задачи, связанные с проектированием. Параметры среды в любой точке занимаемого ею пространства можно (с какой-либо степенью достоверности) определить при наличии информации о граничных условия и размерах проточной части канала. Однако такая задача в данной постановке создает известную долю неопределенности для разработчика аппарата, так как конечный результат заранее неизвестен.
Для проектирования, с точки зрения автора, рациональной является иная постановка задачи: задав характеристики потока сплошной среды на выходе из канала переменной геометрии, определить их формирующие размеры проточ-
6 ной части канала. При этом необходимо выявить функциональную взаимосвязь
параметров потока от критериев, характеризующих размеры пространства, ограничивающие этот поток (размеры проточной части). Универсальность такой взаимосвязи может быть обоснована на базе физических* представлений о про-исходящем процессе, подтвержденных математически и экспериментально.
Автором накоплен большой экспериментальный материал по испытаниям камер сгорания газотурбинных двигателей различных схем и размерностей. Процесс, происходящий в камере сгорания, является наиболее характерным примером для исследования характеристик потока сплошной среды в канале переменной геометрии при развитой турбулентности и наличии стоков и истоков теплоты и вещества. Этот экспериментальный материал обосновывает теоретические положения работы, заключающиеся в выводе и обосновании параметров и критериев, определяющих процесс формирования характеристик турбулентного потока сплошной среды с наличием в нем распределенных источников и стоков энергии и вещества.
Характерные размеры и безразмерные геометрические критерии камеры сгорания
В настоящее время проявляется большой интерес, как в авиации, так и в энергетике к двигателям малой размерности, включая микродвигатели. Для двигателей малой размерности характерно применение центробежных компрессоров с противоточной камерой сгорания, расположенной над турбиной.
Анализ показывает, что противоточные камеры сгорания малоразмерных двигателей обеспечивают более равномерное поле температуры газа при более низких потерях по сравнению с прямоточными камерами сгорания. Это объясняется большой конфузорностью и длиной газосборника жаровой трубы и малыми значениями приведенной скорости Лк за компрессором.
В камерах сгорания двигателей малой размерности существенно уменьшается высота жаровой трубы, что однозначно приводит к увеличению площади боковой поверхности жаровой трубы »%# относительно ее объема. Как показывает опыт, увеличение относительной площади поверхности жаровой трубы отрицательно влияет на тепловое состояние стенки жаровой трубы At =TW—TK {Tw-максимальная температура стенки жаровой трубы) и может W приводить к снижению эффективности горения. Выразим Т -Тк из уравнения баланса тепла, выделяющегося в результате химической реакции в объеме жаровой трубы и передаваемого ее стенке в единицу времени:
Из анализа последнего выражения следует, что при увеличении отношения площади поверхности жаровой трубы к ее объему, величина температуры стенки жаровой трубы возрастает, асимптотически стремясь к некоторому предельному значению. Это связано с увеличением интенсивности отвода тепла из зоны реакции к стенкам жаровой трубы (далее, от стенок жаровой трубы к стенкам корпуса камеры сгорания и от стенок корпуса камеры ж 5\ V. ж сгорания в окружающее пространство) с ростом значения Математический анализ выражения (III. 16) как функции от аргумента Гс Л ж ж V. показывает качественный характер зависимости TWK = f V, ж V ж J иллюстрируемый рисунком 3.5. Как видно из рисунка, функция Т -Т = f 1 W 1к J ж fs \VXj имеет асимптоту при -- - од ж « На графике рис.3.6 представлены экспериментальные данные, иллюстрирующие зависимость разности максимальной температуры стенки и охлаждающего воздуха At =TWK от отношения поверхности жаровой W трубы к ее объему -ж-. "ж
Как следует из графика, наибольшие трудности возникают с охлаждением малоразмерных, особенно противоточных камер сгорания с большим отношением поверхности жаровой трубы к ее объему. Изменение знака градиента функции А/ =/ w $ж \VxJ (изображенной на графике рис. 3.6), начиная с величины - = 85м , связано с уменьшением ж коэффициента полноты тепловыделения в камере сгорания.
Исследования, подтвержденные опытами, включая эксперименты других авторов, показывают, что при этом, из-за снижения температуры газа в реакционной зоне, в связи с интенсивным отводом тепла в стенку, уменьшается скорость химических реакций и увеличивается недожог топлива.
Так как максимальная температура стенки жаровой трубы определяется допустимым значением для материала и примерно одинакова для всех камер, то из формулы (III. 19) следует, что для двигателей малой размерности существует ограничение по величине температуры воздуха за компрессором (т.е. по степени повышения давления) из условий теплового состояния стенки. Эмпирическое уравнение, описывающее зависимость на рис. 3.6, связывает температуру стенки жаровой трубы с ее геометрическими размерами и имеет следующий вид: At 30,6 w l + a L 0,11 $ж + 19,3 ж где азг— коэффициент избытка воздуха в части жаровой трубы до отверстий смесителя (для этой зоны характерны максимальные значения температуры газа и стенки жаровой трубы). Для камеры сгорания - - (кж ) х. & V ж На графике рис. 3.7 показана зависимость высоты жаровой трубы от величины отношения ——, полученная статистической обработкой результатов ж расчета отношений площади поверхности жаровой трубы к ее объему для различных конструкций кольцевых камер сгорания. Из графика на рис.3.6 и 3.7 следует, что минимально допустимым значением /гж для кольцевой камеры сгорания является {кж)тт « 0,045 м . Для одиночной цилиндрической камеры сгорания: I Sx __ 4жРж1ж _ 4 Уж 7iD2JM DX где D}K - диаметр одиночной жаровой трубы (напомним, что 1Ж -длина жаровой трубы), минимальной величиной является (рж )min » 0,05м.
Указанные выше ограничения касаются камер сгорания с металлическим материалом стенок жаровой трубы. Как следует из приведенного анализа, применение керамических материалов, уменьшающих потери тепла из зоны реакции, позволит расширить минимальное ограничение поперечного размера жаровой трубы.
Анализ физической сущности критериев, определяющих рабочий процесс в камере сгорания
Критерии, входящие в интегральную математическую модель характеристик рабочего процесса в камере сгорания (IV. 1) классифицируются как термодинамические, физико-химические, гидродинамические и критерии, характеризующие равномерность распределения этих параметров по объемам реакционных зон.
Величины температуры и давления определяют скорость химического реагирования веществ в потоке газа и образования конечного продукта реакции, так как она зависит от скорости движения молекул реагирующих веществ и частоты их соударений. Скорость движения молекул пропорциональна квадратному корню значения температуры, а длина свободного пробега молекул обратно пропорциональна величине давления газа. Таким образом, скорость движения молекул и частота их соударений определяются значениями температуры и давления газа.
Физико-химические параметры: вид топлива и коэффициент избытка окислителя определяют выделяющуюся при химическом реагировании окислителя и горючего энергию. От вида топлива также зависит скорость его дробления на капли, испарение, диффузия в движущемся потоке газа, т.е. местные величины концентраций, определяющих местное значение скорости протекания химической реакции.
Гидродинамический параметр G/VP характеризует скорость конвективно 54 го переноса энергии, вещества и количества движения. Размерность параметра такая же как и у массовой скорости образования или расходования вещества в результате химической реакции в единице, объема. С ростом величины G/Vp возрастает «вынос» из реакционного объема энергии, вещества и количества движения, что приводит к снижению температуры, концентрации конечного продукта реакции и росту величины потерь полного давления в этом объеме. Универсальность параметра подтверждается практикой успешного обобщения экспериментальных данных по характеристикам горения как в России, так и за рубежом с помощью параметров, содержащих G/Vp (критерий Дорошенко, Лонгвелла, Лефевра и др.). " F Степень расширения диффузора камеры сгорания — - характеризует стабильность течения потока воздуха на входе в реакционный объем жаровой трубы. При большой степени расширения и малой длине диффузора могут возникать отрывы пограничного слоя с последующим вихреобразованием попеременно то от внутренней, то от наружной стенок, в разных местах по окружности кольцевого диффузора. Отрыв пограничного слоя от стенок происходит под воздействием положительного градиента давлений.
Такая нестабильность течения воздуха является причиной значительного изменения температуры стенок жаровой трубы и неравномерности поля температуры газа на входе в сопловой аппарат турбины. F Практика показала [39], что при —— 2 удается обеспечить стабильное і протекание процессов в камере сгорания, независимо от того безотрывное или отрывное течение воздуха в диффузоре (подробнее о процессе нестабильного течения газа в диффузоре - см. раздел о нестационарных процессах в камере сгорания)
Критерии гс— и ж— отражают протекание в камере сгорания та ких процессов как проникновение струи в сносящий поток газа с учетом угла наклона этой струи к направлению сносящего потока. F Параметр ж—характеризует аэродинамику процесса смешения хо Х ож лодных струй с горячим потоком и определяет снижение местных максимальных температур газа. Для примера рассмотрим процесс втекания одиночной струи воздуха перпендикулярно сносящему потоку горячего газа, (рисунок 4.2). Обозначим: у = h -глубина проникновения струи воздуха в сносящий поток на длине х — 1 (Рис.4.2); v0 - скорость воздуха в отверстиях жаровой трубы; иг - скорость потока газа в жаровой трубе.
Максимальные величины погрешностей при определении параметров в процессе испытаний камер сгорания
Экспериментальное исследование характеристик рабочего процесса в камере сгорания проводилось на стендах при автономных испытаниях в составе специальных установок для испытаний как моделей, так и полноразмерных камер сгорания.
На стендах для автономных испытаний исследовались такие характеристики как неравномерность поля температуры газа на выходе из камеры сгорания, величина коэффициента полноты выгорания топлива в ней, коэффициент восстановления полного давления (при «холодной продувке»), коэффициент избытка воздуха при «бедном» срыве пламени, эмиссионные характеристики и характеристики запуска в различных высотно-климатических условиях (термобарокамера).
На рис.5.1 представлена схема стенда с установкой для автономных испытаний камер сгорания и их моделей, на рис.5.2 - схема термобарокамеры, позволяющей имитировать различные высотно-климатические условия с установкой для исследований нестационарных процессов воспламенения топливовоздушной смеси в камере сгорания,
Стендовая система включает в себя: - устройство для подвода или отвода (эксгаустер барокамеры) воздуха - компрессор, баллоны высокого давления, при испытаниях моделей также используется воздух от заводской сети; - газовый или электрический подогреватель воздуха; - рессивер; - выхлопная шахта.
Установка для испытаний камер сгорания состоит из следующих конструктивных элементов: - входного устройства, с плавным входом и участком для измерения параметров потока газа на входе в камеру сгорания, стыкуемого к фланцу модуля камеры сгорания; - испытываемого модуля камеры сгорания; Ф - выходного устройства с установленными в нем (в зависимости от цели проводимых работ) средствами измерений - термопарами, насадками для измерения полного давления, пробоотборниками.
На двигательных стендах исследовались такие характеристики камеры сгорания как неравномерность поля температуры на входе в сопловой аппарат турбины и эмиссионные характеристики.
В данной работе использованы также данные по измерению эмиссии, которое проводилось в составе объекта.
Методика проведения испытаний. Методика проведения автономных испытаний камеры сгорания обеспечивает определение всех характеристик рабочего процесса в ней.
В процессе испытаний производится измерение следующих параметров: - на входе в камеру сгорания - величин давления, температуры, массового расхода топлива, определение массового расхода воздуха; - на выходе из камеры сгорания - величин температуры, давления потока и химического состава газа в различных точках поперечного сечения (многоточечные гребенки термопар, насадки полного давления, пробоотборники, устанавливаемые как стационарно, так и с организацией непрерывного перемещения в плоскости поперечного сечения камеры сгорания).
При исследовании нестационарных процессов - запуска и прекращения горения фиксируются параметры на входе в камеру сгорания в момент воспламенения или погасания топливовоздушнои смеси в камере сгорания. Момент воспламенения или погасания определяется по показаниям термопар в выходном сечении камеры сгорания.
Максимальные величины погрешностей при определении параметров в процессе испытании камеры сгорания.
Максимальные погрешности измеряемых параметров в процессе проведения испытаний камеры сгорания представлены в таблице I.
Для описания характеристик процессов камеры сгорания с помощью зависимостей от величин определенных в предыдущих разделах критериев и параметров, выбран метод, в котором значение характеристики представляется в виде произведения функций влияющих на нее параметров: значение характеристики камеры сгорания = const х ух (хх )у2 (х2 ).... , (х,)..-Ук (хк); P/" ""Re RePr ReSc Fmj xl9xl+v..xk = РК,ТК,Т2,а,вид топлива,-—,zJP, ,---,-- ,1, Р FKK. FKK. FM FM — — N0 UFOM -,juF3,W, , ЮЖ FK JUFOIK YJ/JFO K FBUX F K flFa
Удобство такого способа заключается в том, что он дает возможность учесть вид функции (линейная, квадратичная, степенная, экспоненциальная и т.п.) влияния каждого фактора с точки зрения его физической сущности на протекание процесса.
Для выявления вида функции влияния и степени значимости каждого фактора использованы способы: 1) графического представления экспериментального материала построением зависимостей в координатах: значение характеристики камеры сгорания - [величина критерия, определяющего характеристику] 2) метод «случайного баланса», в котором производится оценка величины изменения характеристики камеры сгорания при изменении каждого из критериев от минимального до максимального значения, реализуемого в ходе эксперимента. выхлопная шахта стенда стендовая магистраль подвода воздуха к камере сгорания газовый или электрический подогреватель установка средств для измерения характеристик рабочего процесса на выходе из камеры сгорания, измерение параметров потока рессивер газа на входе в камеру сгорания Рис5.1. Схема стенда с установкой для автономных испытаний камер сгорания. ч Подвод воздуха от турбодетандера Измерение давлення и температуры воздуха в термобарокамере Объект испытаний Измерение температуры Камера сгорания газа на выходе из камеры сгорания Измерение расхода Подвод воздуха через камеру топ-сгорания Измерение давления топливоподачи и температуры топлива Рис.5.2. Схема стенда с установкой для проверки запуска камеры сгорания. VI. Характеристики камеры сгорания как функции ее критериев. VI. 1. Эмиссия оксидов азота.
Автором выполнен большой объем исследований камер сгорания с фронтовыми устройствами, охватывающими широкий спектр типовых и перспективных конструкций (завихрительные, аэрационные, микрофакельные, комбинированные) как на газе, так и на жидком топливе, с высоко - и низконапорной подачей топлива. Схема испытанных фронтовых устройств представлена на рис.6.1.
Исследования проводились на моделях и полноразмерных камерах сгора-ния в условиях автономных испытаний, испытаний двигателей на стендах, на летательных аппаратах и на автономных газотурбинных электростанциях. Испытано более 30-и вариантов фронтовых устройств (включая серийные конструкции) и проведено более 300 экспериментов в рабочем диапазоне режимов двигателей: Рк=0,4 - 2,1МПа; Гк=300 - 820 К; Гг=600 - 1700 К; Тг - температура газа на выходе из камеры сгорания.
Уровень дымления камеры сгорания
Важнейшей задачей при создании камеры сгорания газотурбинного двигателя является обеспечение надежного воспламенения топливовоздушной смеси в различных высотно-климатических условиях его эксплуатации. Особенно актуально решение проблем запуска для авиационных двигателей, стационарных и транспортных установок, работающих в высокогорных условиях при отрицательной температуре воздуха и топлива. і В настоящее время доводка камеры сгорания по обеспечению запуска осуществляется дорогостоящим методом проб и ошибок с привлечением специального оборудования (термобарокамеры) и испытания большого количества вариантов. Для описания процесса воспламенения топливовоздушной смеси в камере сгорания ГТД используем систему неравенств (VII.8) и (VII.9) Для процесса запуска, осуществляемого системой непосредственного розжига (от свечи зажигания): v си2 где Есв = энергия разряда, сосредоточенная в конденсаторе;
С - емкость конденсатора; U - напряжение. При нахождении функций, входящих в неравенства, использованы многочисленные экспериментальные материалы по исследованию полноразмерных камер сгорания и моделей на натурных режимах на автономном стенде в термобарокамере. Схема стенда представлена на рисунке 5.2.
Объектами испытаний явились камеры сгорания экспериментальных и серийных двигателей: прямоточные (ТВЗ-117, РД-33 и др.), противоточные (ГТД-1250, ТВ7-117, стационарный двигатель для электростанций ГТЭ-1,5 и др.), одиночные (ГТД-350) с завихрительными, аэрационными и микрофакельными фронтовыми устройствами, с вращающейся форсункой. Конструктивные схемы исследованных фронтовых устройств показаны на рис.6.1.
Испытания проводились на керосине, дизельном летнем, зимнем и арктическом топливе, без вдува и со вдувом вспомогательного воздуха во второй контур форсунок с перепадом давления 0,02-0,3 МПа. Воспламенение производилось от свечей поверхностного и кумулятивного разряда с частотой разрядных импульсов от 2 до 25Гц, расположенных на расстоянии от торца
Параметр переноса, как видно из анализа неравенств (VII. 12), (VII. 13) и рисунка 7.1, вместе с величиной а определяет область воспламенения топливовоздушной смеси в камере сгорания на запуске двигателя.
Неравенство (VII. 12) получено на основе преобразования и решения уравнения энергии в движущемся потоке для нестационарного процесса и отражает условие превышения тепловыделения в результате химических реакций над отводом тепла с продуктами сгорания в движущемся потоке газа. Неравенство (VII. 13) получено решением уравнения концентраций для нестационарного потока и отражает условие непрерывности протекания химической реакции при запуске, т.е. превышение скорости поступления новых порций горючего в реакционную зону над скоростью выгорания.
Величина коэффициента избытка воздуха определяет качество запуска, т.е. температуру газа перед турбиной и надежность воспламенения топливовоздушной смеси в камере сгорания.
Запуск без заброса температуры газа на выходе из камеры сгорания происходит при значениях коэффициента избытка воздуха а 2,5. Если а 2 (но не менее а = 1), для предотвращения прогаров концов рабочих лопаток турбины при запуске необходимо обеспечить резкий сброс давления топлива после его воспламенения путем соответствующих мероприятий в системе регулирования двигателя.
