Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса по исследованию полей температуры газа на выходе из камер сгорания 12
1.1. Обзор работы по формированию полей температуры газа на выходе из камер сгорания 12
1.1.1. Процессы вдува и перемешивания 15
1.1.2. Модели расчёта полей температуры газа на выходе из камер сгорания 20
1.1.3. Анализ параметров, описывающих неравномерность полей температуры газа на выходе из камер сгорания 24
1.2. Анализ особенностей формирования полей температуры газа на выходе из камер сгорания малоразмерных ГТД 27
1.3. Цель и задачи исследования 44
2. Эспериментальные стенды и установки 46
2.1. Стенд для исследования характеристик камер сгорания малоразмерных ГТД 46
2.2. Экспериментальные модели камер сгорания МГТД 50
2.3. Основные виды измерений и анализ точности 54
2.3.1. Измерение аэродинамической структуры потока в жаровой трубе и полей температуры газа в выходном сечении камеры сгорания 54
2.3.2. Измерение состава выхлопных газов на выходе из камер сгорания 57
2.3.3. Анализ точности результатов измерений 60
3. Влияние конструктивных и режимных параметров на характеристики поля температуры газа камер сгорания малоразмерных ГТД 64
3.1. Аэродинамическая структура течения и гидравлические потери в камерах сгорания малоразмерных ГТД 64
3.2. Исследование влияния конструктивных параметров на характеристики поля температуры газа в малоразмерных камерах сгорания 77
3.3. Связь характеристик поля температуры газа камер сгорания малоразмерных ГТД с режимными параметрами 94
4. Моделирование окружной и радиальной неравномерностей поля температуры газа на выходе из камер сгорания МГТД ; 98 .
4.1. Математическая модель расчёта окружной неравномерности поля температуры газа на выходе из камер сгорания малоразмерных ГТД 98
4.2. Математическая модель расчёта радиальной неравномерности поля температуры газа на выходе из камер сгорания малоразмерных ГТД 107
4.3. Взаимосвязь между окружной и радиальной неравномерностью поля температуры газа в выходном сечении камер сгорания 115
5. Практическая реализация результатов исследований ...119
5.1. Алгоритм выбора проектных параметров камер сгорания малоразмерных ГТД ; 119.
5.2. Рекомендации по выбору конструктивных и режимных параметров камер сгорания малоразмерных ГТД 122
5.3. Результаты практической реализации рекомендаций на камерах сгорания двигателей МД-120, МД-45, ВД-100 и изделия 83 125
5.3.1. Камеры сгорания двигателей МД-120 и МД-45 125
5.3.2. Камера сгорания изделия 83 128
5.3.3. Камера сгорания двигателя ВД-100 131
Заключение 133
Список литературы
- Обзор работы по формированию полей температуры газа на выходе из камер сгорания
- Стенд для исследования характеристик камер сгорания малоразмерных ГТД
- Аэродинамическая структура течения и гидравлические потери в камерах сгорания малоразмерных ГТД
- Математическая модель расчёта окружной неравномерности поля температуры газа на выходе из камер сгорания малоразмерных ГТД
Введение к работе
Малоразмерные газотурбинные двигатели находят все более широкое применение в различных областях техники: в качестве маршевых двигателей беспилотных летательных аппаратов, вспомогательных силовых установок на самолетах, силовых приводов вспомогательного оборудования и теплогенераторов различного назначения. Тем не менее в вопросах расчета, проектирования и доводки МГТД и их узлов, в частности камер сгорания, остается много нерешенных проблем. Необходимость учета специфики размерности двигателя подчеркивалось NaSA [95] и хорошо известна из опыта отечественных фирм.
Известно, что в процессе проектирования и доводки камер сгорания (КС) ГТД важное значение приобретает вопрос обеспечения заявленного уровня окружной и радиальной неравномерностей полей температуры газа (ПГТ) при приемлемых значениях по полноте сгорания (цг) , потерях полного давления (ск ), бедному срыву пламени и запуску. Степень совершенства температурного поля является критерием ресурса турбины и двигателя в целом. Кроме того, снижение окружной неравномерности (б ртах) позволяет увеличить значение среднемассовой температуры газа перед турбиной и тем самым, повысить мощность и КПД газотурбинной установки.
Профиль температур должен быть согласован с уровнем напряжения в лопатках турбины, чтобы обеспечить требуемый ресурс работы лопаток. Установлено, что повышение температуры газа в некотором локальном радиальном сечении лопаток турбины всего на 28°С может уменьшить рабочий ресурс лопаток на 50 % или потребовать повышения на 0,5 % расхода воздуха для охлаждения турбины, чтобы ресурс остался неизменным. Вместе с тем, увеличение на 1 % расхода воздуха на охлаждение турбины снижает взлетную тягу ГТД на 2,25% [12].
Еще более усложняется эта проблема в КС МГТД, которая заключается в том, что не изучено влияние размеров и особенностей организации в них
рабочего процесса на поля температур, а применение научно-технического задела по этому вопросу из области полноразмерных КС, как правило, приводит к отрицательному результату.
Выполненный обзор работ по указанной проблеме позволил:
- установить зависимость неравномерности поля температуры газа на выходе из камер сгорания ГТД от основных конструктивных и режимных параметров;
- проанализировать точность и достоверность существующих моделей расчета характеристик выходного поля температур.
Вместе с тем были выявлены нерешенные проблемы:
- до сих пор не сформулировано понятие критерия "размерности" двигателя, а следовательно, и камеры сгорания;
- практически отсутствуют работы, посвященные проблемам и особенностям формирования полей температуры газа на выходе из камер сгорания малоразмерных ГТД;
- не указаны диапазоны применимости рассмотренных моделей для расчета уровня неравномерности температурного поля. Так, например, МГТД не удовлетворяет граничным условиям моделей [83] и [85] (рисунки 1.9-1.13); отсутствуют достоверные модели расчета коэффициента гидравлического сопротивления для малоразмерных камер сгорания;
- практически все модели расчета смесителей получены при условии однородного сносящего потока и одинаковых режимных параметрах струй по наружной и внутренней обечайках жаровой трубы.
Поэтому исследование особенностей формирования полей температуры газа на выходе из реальных КС МГТД, а также разработка их математических моделей, представляет значительный научный и практический интерес.
Цель работы. В связи с этим целью исследования является повышение эффективности работы КС и МГТД в целом на основе экспериментальных исследований полей температуры газа в выходном сечении и выработки рекомендаций по их проектированию и доводке. • Для достижения поставленной цели были сделаны специальные установки, доработаны экспериментальные стенды, изготовлены датчики и системы измерений.
Исследования, проведенные на ряде натурных МГТД, позволили выявить влияние конструктивных и режимных параметров на характеристики поля температуры газа на выходе из камер сгорания и разработать математические модели по определению уровня 0™° , 0™ах и коэффициента гидравлического сопротивления ,к.
На основе обобщения результатов исследований были разработаны методика и алгоритм выбора проектных параметров, и рекомендации, позволяющие обеспечить заявленные требования по указанным характеристикам для КС двигателей МД-120, МД-45, ВД-100 и изделия 83.
Работа выполнялась по конкретным заказам МКБ "Гранит" (г. Москва), ОКБ "Гидромеханика" (г. Уфа), "КОБМ" (г. Калуга) [47, 51, 54, 73, 100, 106].
Диссертация выполнена в Самарском государственном аэрокосмическом университете на кафедре "Теплотехники и тепловых двигателей" под руководством доктора технических наук, профессора СВ. Лукачева.
Обзор работы по формированию полей температуры газа на выходе из камер сгорания
Формирование требуемого поля температуры на выходе из КС осуществляется в зоне смешения (газосборнике), которая выполняет две функции: понижение температуры продуктов сгорания до допустимой на входе i в турбину и выравнивание в радиальном и окружном направлениях. В настоящее время в камерах сгорания ГТД для выполнения указанных функций находят применение три типа смесителей (см. рисунок 1.1): дырчатые, сопловые и вихревые [119].
Анализ конструкций современных малоразмерных ГТД показывает, что в основном используются дырчатые, как наиболее технологичные в изготовлении. Однако из-за особенностей, присущим только малоразмерным двигателям указанные конструкции не в состоянии выполнить требования, предъявляемые к современным малоразмерным камерам сгорания, следовательно, необходимы разработки новых, нетрадиционных методов формирования требуемого выходного поля температур. Как пример можно » » привести конструкции в [58, 62, 103, 104]. Вероятно, что одним из таких методов может быть смеситель, разработанный по типу КС «Vorbix», но без подачи топлива через завихрители. При этом, за счет выбора геометрических характеристик завихрителя и центрального отверстия можно добиться практически любого радиального распределения температур (см. рисунок 1.2) в выходном сечении камеры сгорания.
В настоящее время имеется большое число работ, посвященных исследованию закономерностей формирования ПТГ, анализ которых. показывает, что их можно разбить на две большие группы (рисунок 1.3) ез экспериментальное исследование процессов смешения сносящего потока и струй вторичного воздуха; ев разработка моделей расчета окружной и радиальной неравномерностей на выходе из камер сгорания, каждую из которых можно разбить еще на ряд направлений (см. рисунок 1.3). Исследования этой группы развиваются по трем направлениям.
Первое направление посвящено экспериментальному исследованию и теоретическому моделированию струй в сносящем потоке. Широко известны работы Ю.В. Иванова [42, 43], Г.С. Шандорова [132,133], Кефера и Бэйнса [146], Камотани и Гребера [59], в которых изучалась траектория плоских и круглых струй, развивающихся в поперечном потоке и получены также некоторые данные о профилях скоростей в таких струях, дальнобойности струй в поперечном потоке, об их эжекционной способности [28, 29, 49, 55, 65, 66, 96, 120,121].
В большинстве известных теоретических работ [6, 7, 8, 69], посвященных струям в поперечном потоке, дается попытка определить траекторию плоских или круглых струй. Обычно ее определяют по схеме, изложенной Г.Н.Абрамовичем [7]: выделяется элемент струи и составляется условие равновесия всех действующих на него сил, получающееся обыкновенное т дифференциальное уравнение интегрируется при тех или иных допущениях.
Большинство экспериментальных работ посвящено исследованию влияния геометрических параметров на неравномерность поля температур (концентраций) и выполнено либо при фиксированном значении
относительного расхода компонента, подаваемого поперек потока G/, либо в узком диапазоне изменения его. Все это затрудняет выявление достаточно общих закономерностей изменения характеристик качества смешения и обоснования характера протекания ранее полученных зависимостей.
Анализ проведенных исследований показывает, что достигнуты определенные успехи в понимании физических особенностей струй в сносящем потоке, установлены их закономерности и разработаны приближенные модели расчета. Однако эти результаты можно рассматривать только как один из этапов в решении задачи формирования полей температур на выходе из камер сгорания.
Стенд для исследования характеристик камер сгорания малоразмерных ГТД
Исследование характеристик малоразмерных камер сгорания проводилось на стенде, схема которого представлена на рисунке 2.1. В его основе - два параллельно работающих вакуумных насоса ВВН 2-50 с электроприводами мощ-ТГОСТБКГІ32 кВт, каждый из которых оснащённеооходимым "оборудованием для регулировки режимов работы. Это позволило проводить испытания в различ ных условиях с расходом воздуха до 1,5 кг/с и ТК до 523 К. Для подогрева воздуха на входе в КС использовался блок, состоящий из трех калориферов типа СФО-100, суммарной мощностью 300 кВт. Система управления позволяла автоматически поддерживать температуру на входе в КС с точностью ±2...±5 К. Па рисунке 2.2 в качестве примера представлен объект испытаний - камера сгорания малоразмерного ГТД (а) и автономный источник подачи воздуха для экспериментального стенда (б).
Для обеспечения безопасных условий эксплуатации ВВН 2-50 по температуре газов при огневых испытаниях реализованы две ступени охлаждения (16 и 18), работающие на принципе создания водяной завесы в газовоздушном тракте.
Стенд оснащен системами для замера всех необходимых параметров. Расход воздуха измерялся с помощью дроссельного расходомера (4). На входе в объект испытаний установлены датчики полного, статического давлений и температуры.
Для определения характеристик поля температуры газа на выходе из камеры было спроектировано, изготовлено и доведено устройство кругового замера Тг и Рг (см. рисунок 2.3). состав которой входили: термопневмогребёнка; устройство управления; реверсивный электродвигатель; счётчик положения гребёнки; потенциометр КСП-4; вольтметр В7-23; ПЭВМ; принтер; формирователь импульсов. Система позволила проводить обработку испытаний в темпе эксперимента в диапазоне температур Гг =373 +1ШК.
Экспериментальные модели камер сгорания МГТД В качестве объектов испытаний использовались модели и натурные камеры сгорания ряда отечественных малоразмерных ГТД. Схема (а) и общий вид (б) камеры сгорания двигателя МД-120
Камера сгорания двигателя МД-І20 (рисунок 2.4) - прямоточная, кольцевого Полноразмерная модель данной КС имитирует газовоздушный тракт и спрямляющий аппарат центробежного компрессора. На выходе из него установлены гребенки для замера полного и статического давления. Жаровая труба препарирована по длине в четырех сечениях, что позволяет проводить внутри-камерные измерения. На выходе из камеры сгорания устанавливалась термо-пневмогребенка и пробоотборники. Подача топлива осуществлялись через коллектор с помощью восьми центробежных форсунок.
Для измерения распределения воздуха по длине жаровой трубы в её ми-делевом сечении устанавливались трехточечные гребенки полного давления и датчики статического давления (см. рисунок 3.2а).
В процессе исследований изменялись: - геометрические размеры фронтового устройства, отверстий в наружной и внутренней обечайках жаровой трубы; - взаимное расположение отверстий первого ряда и смесителя на наружной обечайке.
Камера сгорания двигателя МД-45 (рисунок 2.5) - прямоточная, трубчато-кольцевого типа. Фронтовое устройство - щелевого типа с четырьмя форсунками для подачи топлива.
В камере расположены 6 пусковых центробежных и 24 струйных форсунки для подвода основного топлива.
Конструктивные и режимные параметры исследуемых камер сгорания приведены в таблице 2.1.
Выше описанные объекты испытаний позволили в широком диапазоне схемных решений современных камер сгорания МГТД исследовать влияние конструктивных и режимных параметров на выходные характеристики полей температуры газа.
При проведении измерений в модели датчик закреплялся в координатное устройство, позволяющее перемещать его в радиальном направлении и вращать вокруг оси. Используя данные градуировки и величину углового перемещения . датчика (р, определялись компоненты вектора скорости. Wx - осевая, Wx = W cos ер (2.1) WY - тангенциальная, Wy = W sin (p (2.2) Значением радиальной составляющей скорости Wr ввиду ее небольшой величины (для ограниченных закрытых потоков) пренебрегалось [135]. Среднеквадратичная погрешность измерения модуля вектора скорости составляет aw 5%.
Для получения достоверной информации измерения проводились в 15...20 точках по радиусу камеры и в четырех сечениях по ее длине, при этом они мно- гократно дублировались.
Границы зоны обратных токов (ЗОТ) определялись с помощью приемников давления (рисунок 2.7).
Измерение полей температуры газа на выходе из камер сгорания осуществлялось с помощью устройства кругового замера (рисунок 2.3). В качестве датчиков использовались неохлаждаемые гребенки с ХА термоэлектродами. Их характерные размеры приведены на рисунке 2.8 и в таблице 2.2.
Для компенсации тепловых расширений разработана специальная система фиксации положения термопар в каждом сечении [15].
В процессе измерений одновременно осуществлялась запись значений термоЭДС на КСП-4 (кл. т. 0,5 ) и автоматизированной системой замера, которая позволяет практически мгновенно фиксировать значения температур и значительно снижает погрешность измерений [15].
Аэродинамическая структура течения и гидравлические потери в камерах сгорания малоразмерных ГТД
Понимание аэродинамических процессов имеет весьма важное значение для проектирования камер сгорания ГТД и достижения заданных характеристик. При правильном сочетании аэродинамических решений и способов подачи топлива понадобится лишь небольшая доводочная работа для получения вполне удовлетворительной конструкции камеры [63].
Если в большинстве существующих камер сгорания обтекание жаровой трубы, как правило, «симметричное», то в малоразмерных ГТД из-за различных схемных решений - более сложное, что приводит к дополнительным потерям полного давления во внутреннем кольцевом канале и, следовательно, к разнице статических давлений на обечайках жаровой трубы. Поэтому для целенаправленного формирования полей температуры газа в малоразмерных двигателях необходимо изучить взаимосвязь между аэродинамической структурой течения в жаровой трубе с уровнем неравномерности выходного поля температур [11, 13, 30, 54, 87].
Так, в прямоточных камерах сгорания МГТД распределение воздуха между наружным и внутренним кольцевыми каналами имеет сложный и неизученный характер (рисунок 3.1). Расход воздуха, поступающего в наружный канал, зависит от приведенной скорости потока, в то время как через внутренний смеситель остается практически постоянным. Это объясняется тем, что увеличиваются потери давления на поворот потока во внутренний канал, которые составляют от 10 до 40% общих потерь ак полного давления.
Изменение раскрытия жаровой трубы (FQ/FK ), в данном случае за счет уменьшения площади отверстий смесителя на наружной обечайке, приводит к следующему характеру ее обтекания (рисунок 3.2). При (ZF0/FK)& 1,34 отличие в расходах воздуха через внутренний и наружный смесители ( н вн \ в СМ В см И 30%. Эта область характеризуется высоким уровнем неравномерности выходного поля температур 0 max 0,354-0,37/0 «1,171, наличием нагара на внутренней стенке жаровой трубы и низким уровнем полноты сгорания тг (рисунок 3.16). Следует отметить, что какой-либо закономерности в изменении отношения (ZF0/FK) В зависимости от размеров двигателя не обнаружено. Во всем диапазоне изменения GB„P, ZFQ/FK&0,9...1,9 (рисунок 1.12). С уменьшением раскрытия появляется область (ZF0/FK «1,25...1,1) примерно равных расходов воздуха через смесители, что соответствует минимальному уровню окружной и радиальной неравномерности [0уПах &0,22±0,26; Qjf «1,07...1,04\, а затем ( 11 птт \ &в см в см) "30% (см. рисунки 3.2 и 3.16). В этом диапазоне (SF0/FK = 0,95...0,89) камера сгорания характеризуется высоким уровнем окружной неравномерности /Q ax ,(),32 + 0,37; 0 hnax 1,05...1,07) и недостаточным запасом ак по «бедной» границе устойчивой работы.
При EF(/FK = 1,34 количества движения закрученной струи недостаточно для создания вблизи фронтового устройства «собственной» зоны рециркуляции. Между воздушными струями первого и второго ряда отверстий (сеч. 2 и 3) установлена несимметричная относительно оси жаровой трубы зона обратных токов, простирающаяся вплоть до смесителя, т.е. возможно догорание образовавшейся, но не сгоревшей ТВС на струях смесительного воздуха. Это может привести к значительному увеличению неравномерности температурного поля в выходном сечении камеры сгорания.
Как показано раннее, наружная обечайка жаровой трубы камер сгорания малоразмерных ГТД «работает» под избыточным перепадом давления, поэтому можно предположить, что любые неравномерности потока на выходе из диффузора прежде всего оказывают влияние именно на характеристики поля температуры газа в окружном направлении.
В качестве примера приведено влияние остаточной закрутки потока рост на уровень 0 (см. рисунок 3.5) для камеры сгорания двигателя МД-120.
Минимальное значение 0" = 0,22...0,24 достигается при смещении отверстий смесителя относительно первого ряда на наружной обечайке жаровой трубы на угол р = 13...17 от исходной компоновки, что примерно равно (рост = 17.
Радиальная же эпюра не претерпевает существенных изменений. В такой конструкции реализуется шахматное расположение струй первого ряда и наружного смесителя, которое способствует более интенсивному перемешиванию и выравниванию характеристик поля температуры газа в окружном направлении.
Известно [83, 85, 98], что при заданной длине жаровой трубы неравномерность поля температуры газа на выходе из камеры сгорания и гидравлические потери в ней определяются одними и теми же геометрическими параметрами (IF0, IFKK, FK, Ж) И степенью подогрева газа. Повышение потерь в жаровой трубе путем уменьшения эффективной площади отверстий является инструментом в руках конструктора для обеспечения требуемых характеристик камеры (ejr.6T.rir)-
Математическая модель расчёта окружной неравномерности поля температуры газа на выходе из камер сгорания малоразмерных ГТД
Как следует из вышесказанного, форма поля температуры газа в выходном сечении камеры сгорания определяется геометрическими и режимными параметрами. К их числу относятся: размеры и распределение воздуха и топлива по объему жаровой трубы, остаточная закрутка потока воздуха на выходе из спрямляющего аппарата центробежного компрессора, относительная длина газосборника. Режимные параметры: коэффициент избытка воздуха а , температура Г,., давление Рк и приведенная скорость воздуха Лк (или GB).
Выше отмеченные обстоятельства позволили сформулировать следующие условия: - для камер сгорания малоразмерных ГТД \Genp 0,05...0,1) отверстия на наружной обечайке жаровой трубы расположены с учетом величины остаточной закрутки потока воздуха (рост на выходе из спрямляющего аппарата центробежного компрессора; - режим течения в диффузоре "безотрывный"; - относительный шаг между форсунками ь, /, 7; - число поясов отверстий в стенках жаровой трубы не менее двух; - шаг между отверстиями t0/hM 0,8...1,0 при их диаметре сі0/кж = 0,1...0,22 [30,П9]; - коэффициент избытка воздуха в камере ак 2,5.
С учётом выше сказанного физическая модель процесса формирования поля температуры газа Є"1ах на выходе из камеры сгорания можно представить в следующем виде: (4.1) птах _ A Fkk . FQ . „ . і . 1 . т р J F Т""" # г k к \LtQ г ж ) Три первых параметра определяют глубину проникновения струй воздуха в сносящий поток, а величина 1Г - длину, на которой происходит перемешивание.
Результаты исследований по формированию полей температуры в КС малоразмерных ГТД рассматриваемых схем (см. главу 2) целесообразно представить в виде следующих зависимостей (см. рисунки 4.1 и 4.2): &Г = /(Ък/Щ), при F0/Fx consr, (4.2) 0х = /(афр), при Тг const. (4.3)
Анализ этих зависимостей показывает, что для каждого значения JFQ/F , существует соотношение F /IFQ, при котором величина 6 иах минимальна. По мере увеличения отношения FQ/FM: минимум кривой 0фШ = f{ ZFQ/F ,) смещается в сторону меньших значений F /UFQ .
Величины 0" в точках экстремума различаются незначительно (0,16...0,22). При отношениях Fkk/IFQ \,3 уровень 0ах тем выше, чем больше степень "раскрытия" жаровых труб. При / /27 1,3 (что характерно для КС малоразмерных ГТД) окружная неравномерность 9 йах изменяется незначительно.
Таким образом, для улучшения процесса смешения струй вторичного воздуха и сносящего потока, а, следовательно, для выравнивания поля температуры газа при Fkk/FQ \,3 следует увеличивать глубину проникновения струй, выбирая меньшие значения ZFQJF . . Отношение ZFQIFDIC является основным параметром, определяющим потери полного давления и поле температур в камере сгорания. Существует оптимальное max значение этой величины, при котором окружная неравномерность 9„ минимальна.
При относительно широких кольцевых каналах (Fkk / Z FQ \ ,Ъ) уменьшение ZFQIFM приводит к небольшому уменьшению неравномерности поля температуры газа.
Скоростной напор сносящего потока в жаровой трубе зависит от степени подогрева газа во фронтовом устройстве, которая определяется коэффициентом избытка воздуха а(рр и полнотой сгорания топлива в этой зоне [50, 95, 98, 113, 127, 142]. Таким образом, глубина проникновения струй воздуха в камере сгорания, определяющая качество смешения, в первом приближении зависит не только от IFQ/FM И F /i7F0, НО и от величины а.л)р {сс(рр зависит от параметров цикла, что связано именно с размерностью).
В действительности, коэффициент избытка воздуха во фронтовом устройстве не пропорционален апз, так как часть воздуха попадает в зону обратных токов, ответвляясь от струй первого пояса отверстий.
Похожие диссертации на Формирование полей температуры газа на выходе из камер сгорания малоразмерных ГТД
