Введение к работе
Актуальность. Форсирование турбореактивных двигателей сжиганием дополнительного топлива за турбиной является основным и наиболее эффективным способом кратковременного увеличения тяги силовых установок многоцелевых самолетов. Вместе с тем, наличие запаса мощности весьма необходимо и для двигателей самолетов транспортной и гражданской авиации при реализации чрезвычайных режимов полета, а также для силовых установок экранопланов на режимах старта с поверхности воды.
Основными причинами, затрудняющими применение форсажных камер сгорания на летательных аппаратах подобного типа, являются значительное увеличение продольных габаритов и веса силовой установки, а также существенное ухудшение удельных параметров двигателя на нефорсированных режимах вследствие дополнительного сопротивления газовыхлопного тракта. Непродолжительность работы двигателей на режимах повышенной тяги делает применение форсажных камер в подобных случаях крайне нецелесообразным. Решение проблемы может быть достигнуто в результате разработки прямоточных камер сгорания, обеспечивающих низкое гидравлическое сопротивление фронтовых устройств на нефорсированных режимах работы и имеющих длину, позволяющую сохранить первоначальные габариты двигателя.
Минимальное гидравлическое сопротивление прямоточной камеры сгорания может быть достигнуто в результате использования стабилизаторов пламени струйного типа. При этом высокие степени подогрева и устойчивая стабилизация пламени обеспечиваются только при значительном отборе высоконапорного воздуха от компрессора, что связано с ухудшением характеристик двигателя. Применение фронтовых устройств с комбинированными струйно-механическими стабилизаторами пламени позволяет уменьшить потребное количество высоконапорного воздуха и обеспечить высокую полноту сгорания топлива на короткой длине.
Камеры сгорания подобного типа могут быть достаточно эффективно использованы для существенного увеличения мощности наземных энергетических установок, создаваемых на базе авиационных газогенераторов. Пониженная температура газа перед турбиной компрессора, обусловленная необходимостью обеспечения заданного ресурса, позволяет осуществлять значительную степень подогрева газа перед свободной турбиной или котлом-утилизатором. Вместе с тем непрерывный режим работы установок предъявляет повышенные требования к надежности фронтовых устройств. Эффективное охлаждение элементов струйно-механических стабилизаторов высоконапорным воздухом позволяет существенно повысить ее с работы фрон-
РОС НАЦИОНАЛЬНА*
СПетерв г«$. п% ото п*лу
товых устройств подобного типа, а организация процесса горения на короткой длине обеспечивает значительное снижение потребного расхода воздуха на охлаждение корпуса камеры дополнительного подогрева. Возможность регулирования размерами циркуляционных течений и составами топливовоз-душной смеси в них позволяет расширить диапазон устойчивой работы камер дополнительного подогрева и улучшить их экологические характеристики. При этом обеспечение горючих составов топливовоздушной смеси в зонах циркуляции за комбинированными горелочными устройствами возможно при стабилизации пламени на струях газообразного углеводородного топлива без отбора высоконапорного воздуха от компрессора двигателя.
В связи с этим вопросы, связанные с исследованием и разработкой укороченных прямоточных камер сгорания газотурбинных двигателей с фронтовыми, устройствами со струйно-механическими стабилизаторами пламени, имеющими минимальное гидравлическое сопротивление на нерабочих режимах, приобретают весьма актуальное значение.
Цель работы. Целью работы являлась разработка и создание фронтовых устройств прямоточных камер сгорания газотурбинных двигателей и наземных энергетических установок со струйно-механическими стабилизаторами пламени, работающих на жидком и газообразном углеводородных топливах.
Задачи исследования. В ходе выполнения работы решались следующие задачи:
экспериментальное исследование способов топливоподачи в струйно-меха-нические горелочные устройства, разработка распиливающего устройства и исследование влияния геометрических размеров его поточной части на характеристики распиливания;
разработка метода расчета распиливающего устройства;
экспериментальное исследование газодинамики течения, смесеобразования и выгорания топлива за струйно-механическими горелочными устройствами;
разработка методов расчета газодинамики течения, смесеобразования и выгорания топлива за струйно-механическими горелочными устройствами;
экспериментальное исследование гидравлического сопротивления струйно-механических стабилизаторов пламени сложных схем;
натурные испытания фронтовых устройств, работающих на жидком и газообразном топливах, в системе авиационного газотурбинного двигателя и энергетической установки на базе авиационного ГТД.
Научная новизна. Предложен и обоснован способ организации рабочего процесса в укороченных прямоточных камерах сгорания, заключающийся в сжигании топлива только в следе за стабилизирующими экранами. Показано, что данный способ может быть реализован при использовании струкно-меха-
нических стабилизаторов пламени, позволяющих существенно снизить потребное количество высоконапорного воздуха и обеспечивающих формирование в потоке циркуляционных течений с мелкомасштабной турбулентностью. Получена зависимость для определения масштаба дробления топлива в потоке, забалластированном продуктами сгорания.
Разработано и экспериментально исследовано распиливающее устройство, представляющее собой центробежную форсунку с кольцевой камерой закручивания. Предложена модель течения и разработан метод расчета центробежной форсунки с кольцевой камерой закручивания, обеспечивающий удовлетворительное согласование с экспериментальными результатами.
Проведены экспериментальные исследования смесеобразования, пределов стабилизации пламени и выгорания топлива за комбинированными струйно-механическими горелочными устройствами. Разработаны методы расчета газодинамики течения, смесеобразования и динамики выгорания топлива за комбинированными стабилизаторами пламени.
Получены экспериментальные результаты испытании прямоточных камер сгорания в системе газотурбинных двигателей РД-9Б и АИ-20 с фронтовыми устройствами со струйно-механическими стабилизаторами пламени, работающими на жидком и газообразном углеводородных топливах.
Практическая ценность. Результаты работы внедрены в камере дополнительного подогрева газа теплоэнергетической установки 2-УВАГ, созданной на базе турбовинтового двигателя АИ-20 и применяемой для нагрева морской воды с целью интенсификации добычи нефти с высоким содержанием парафинов, а также использованы при разработке рекомендаций форсирования двигателей НК-87 силовой установки экраноплана «Лунь».
Основные положения, выносимые на защиту. 1. Результаты экспериментального исследования центробежных форсунок с кольцевой камерой закручивания и метод расчета параметров вихревого течения в кольцевом канале при подводе жидкости от центра к периферии.
2. Результаты экспериментального исследования струйно-механических горе-
лочных устройств, работающих на жидком и газообразном топливах.
Методы расчета газодинамики течения, смесеобразования и динамики выгорания топлива за струйно-механическими горелочными устройствами.
Результаты стендовых испытаний прямоточных камер сгорания с модульными фронтовыми устройствами, работающими на жидком и газообразном топливах, в системе газотурбинных двигателей.
Степень достоверности полученных результатов. Достоверность полученных результатов определяется применением стандартных апробированных методов измерений, тарировкой и регулярной метрологической провер-
кой используемых приборов, обобщением и сравнением получаемых результатов с опубликованными результатами других авторов и подтверждается удовлетворительной воспроизводимостью опытных данных.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы и отдельные ее части докладывались на:
II и III Всесоюзных конференциях «Современные проблемы двигателей и энергетических установок летательных аппаратов», Москва, МАИ, 1981, 1985 гг.;
II межотраслевой научно-технической конференции, посвященной 60-летию ЦИАМ им.П.И.Баранова, Москва, 1990 г.;
международной конференции «Проблемы комплексного освоения трудно-извлекаемых запасов нефти и природных битумов (добыча и переработка)», Казань, 1994 г. (Problems of complex development and production ofhard-ac-cessible oils and natural bitumens (production and refining));
XV Конгрессе международной конференции по промышленной энергетике, Лейпциг, 1996 г. (XV KongreP der Internationalen Konferenzfur industriette Energiewirtschaft)',
— Международных научно-технических конференциях «Техническое обеспе
чение создания и развития воздушно-транспортных средств (экранопланов
и сверхлегких летательных аппаратов)», Казань, 1994,1996;
Третьей международной конференция по новым энергетическим системам и преобразованию энергии, Казань, 1997 (The third international conference on new energy systems and conversions);
2 Международном симпозиуме по энергетике, окружающей среде и экономике (ЭЭЭ-2), Казань, 1998 (2-nd International symposium on energy, environment & economics);
— международной научно-технической конференции, посвященной памяти
Н.Д.Кузнецова. - Самара, 2001;
— научно-технических конференциях, проводимых в Казанском научном цен
тре РАН, КГТУ им.А.Н.Туполева, Казанском артиллерийском университете
и др.
Личный вклад автора. Автор непосредственно участвовал в создании экспериментальных установок, рабочих отсеков и фронтовых устройств натурных прямоточных камер сгорания, им проведены экспериментальные исследования, выполнены обработка, анализ и обобщение полученных результатов, разработаны методы расчетов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 статей, 26 тезисов докладов на научно-технических конференциях, семинарах, симпозиумах, получено 7 авторских свидетельств на изобретения и 1 патент.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, выводов и списка использованной литературы.
