Содержание к диссертации
Условные обозначения 5
Индексы 7
Условные сокращения 8
ГЛАВА 1. Обзор существующих работ, моделей и расчетных методик
1.1. Процессы, происходящие в основных камерах сгорания ГТД
1.2. Математическое моделирование внутри камерных процессов, Memory доводки значений показателей работы камер сгорания 19
1.2.1. Понятие модели, классификация моделей камер сгорания ГТД 19
1.2.2. Краткий обзор существующих математических моделей и методов доводки КС газотурбинных двигателей 21
1,3. Цель и основные задачи работы 34
ГЛАВА 2. Камеры сгорания -двигателей особенности конструкции, дефекты, надежность, прогнозирование вероятности безотказной работы 36
2.1. Обеспечение надёжности и прогнозирование безотказной работы при доводке камер сгорания
2.2. Камеры сгорания двигателей особенности конструкции 38
2.3. Оценка надёжности камер сгорания двигателей
2.3.1. Методика оценки надёжности при статистической обработке данных 43
2.3.2. Анализ статистической обработки данных по дефектам
2.3.3. Анализ статистической обработки данных по дефектам
2.3.4. Прогнозирование надёжности безотказной работы, способы повышения уровня физической надёжности КС 50
2.4. Возможные способы модернизации исследуемых
2.5. Оперативная оценка надёжности камер сгорания 54
ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование влияния перераспределения подачи "вторичного" воздуха по длине жаровой трубы на основные характеристики кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя 56
У 3.1. Цель и задачи экспериментального исследования 56
3.2. Особенности процессов камеры сгорания двигателя, как объекта исследования 56
3.3. Первый этап экспериментального исследования 57
3.3.1. Краткое описание рабочего участка экспериментальной установки и замеряемые параметры 58
3.3.4. Результаты исследования, полученные на девяти горелочном отсеке камеры сгорания двигателя НК-16-18СТ
3.3.5. Анализ результатов первого этапа экспериментального исследования
3.4. Второй этап экспериментального исследования 68
3.4.1. Краткое описание камерного стенда и его режимные параметры при испытаниях 69
3.4.2. Описание испытанных вариантов камер сгорания 72
3.4.3. Последовательность проведения стендовых испытаний и замеров значений характеристик камеры сгорания 77
3.4.4. Методика обработки результатов замера эмиссии токсичных веществ режимные параметры
3.3.2. Описание вариантов конструкций жаровых труб 60
3.3.3. Последовательность проведения испытаний вариантов отсеков
3.4.5. Методика обработки параметров температурного поля на выходе экспериментальной КС 3.4.6. Методика расчета полнотных характеристик
3.4.7. Результаты стендовых испытаний БКС 85
3.4.8. Анализ результатов второго этапа экспериментального исследования 88
3.5. Выводы по результатам экспериментального исследования 103
ГЛАВА 4. Разработка методики расчёта температурной неравномерности на основе моделирования процесса смешения струй в условиях жаровой трубы камеры сгорания газотурбинного двигателя 108
4.1. Особенности процесса смешения поперечных струй с газовым потоком жаровой трубе камеры сгорания 108
4.2. Моделирование процесса смешения в жаровой трубе КС 111
4.3. Получение зависимости, характеризующей неравномерность темпе у ратушного поля по длине жаровой трубы КС 116
4.4. Использование полученной зависимости при оценке температурной неравномерности камер сгорания
4.5. Исследование влияния конструктивных параметров камеры сгорания на температурную неравномерность газового потока П Заключение 128
Список литературы 129
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 136
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 137
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 142
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 144
ПРИЛОЖЕНИЕ 5
Введение к работе
На современном этапе, говоря о силовых приводах газоперекачивающих агрегатов (ТТ1А) в виде конверсированных авиадвигателей, уже нет необходимости упоминать двигатели, отработавшие свой лётный ресурс. В условиях рыночных отношений и жёсткой конкурентной борьбы вопрос стоит о производстве и создании именно специализированных приводов ГПА, а не о переделке пришедших из лётной эксплуатации авиационных двигателей.
В связи с этим, остро встаёт проблема надёжности и увеличения ресурса газотурбинных приводов, так как ремонт одного двигателя обходится предприятию в 30 % стоимости нового ГТД, что обуславливает необходимый уровень резервирования, также, не менее 30 %. Поэтому, увеличение межремонтного ресурса при доводке уже существующих конструкций, путём введения ряда конструктивных мероприятий, является актуальной задачей, позволяющей повысить экономическую эффективность использования конверсированных ГТД.
Сегодня, более 40 % установленной мощности всех газоперекачивающих агрегатов в ОАО ГАЗПРОМ составляют ГПА-Ц-16. Наибольшее их количество работает в ООО "Тюменьтрансгаз". В качестве силового привода установки используется конверсированный авиационный двигатель НК-16СТ.
Кроме того, в составе газоперекачивающих агрегатов, помимо НК-16СТ, работают двигатели НК-12СТ, НК-14СТ, НК-16-18СТ, НК-36СТ. Планируется введение в серийное производство нового двигателя НК-38СТ. Все эти двигатели являются авиационными ГТД, адаптированными к условиям наземного применения, топливом для которых служит природный газ.
Принято считать, что ресурс газотурбинного двигателя определяется ресурсом турбины, как самого высоко нагруженного узла. Ресурс турбины напрямую зависит от температуры газов (Тг, К) перед ней, поступающих из камеры сгорания. Для авиационных ГТД, работающих на керосине, значения Тг сейчас располагаются в диапазоне 1300 -1800 К, [3, 7]. При адаптации авиадвигателя к условиям наземного применения и переводе его на газообразное топливо, понижается, примерно, на 10+15 %. Это ведёт к некоторой потери мощности,
П но "разгружает1 турбину, обеспечивая ей выгодные условия для длительной работы в составе силового привода ГПА.
Однако перевод двигателя с жидкого топлива на газообразное приводит к существенным изменениям в организации рабочего процесса в камере сгорания [19], обуславливая её работу в нерасчётном режиме, что ведёт к перегрузке от П дельных её элементов и быстрому их разрушению, а также негативно сказывается и на состоянии турбины. Если оставить конструкцию камеры без изменений, учитывающих особенности горения природного газа, это может привести к преждевременному выходу её из строя из-за нерациональной организации рабочего процесса в ней.
Из вышесказанного следует, что для авиационного газотурбинного двигателя, адаптированного к применению в наземных условиях, наиболее напряжённым узлом является камера сгорания, которая определяет целый ряд основных показателей, характеризующих его работу, в том числе ресурс, надёжность, экологическое совершенство и экономичность.
Согласно [7], камера сгорания перспективного двухконтурного ТРД гра жданской авиации должна обеспечить следующие основные характеристики:
У полноту сгорания не менее 0,995 (на основных режимах) и более 0,98 на режимах малого газа; неравномерность температурного поля на выходе КС 1,2; потери полного давления 5,5 %; назначенный ресурс не менее 20000 часов при доле охлаждающего воздуха 0,2; эмиссию вредных веществ в зоне аэропорта: по NO, - 35...50 г/кН, по СО - 50 г/кН.
В связи с этим, при доводке уже существующей конструкции с целью сбережения средств на эксперимент, целесообразно создавать автоматизированные программы с небольшим кругом охватываемых задач. Слишком большая общность (универсальность) делает программу тяжеловесной, требует дополнительной дорогостоящей подготовки специалистов и не всегда оправдывает финансовых затрат, связанных с её приобретением [13]. Поэтому моделирование процессов с привязкой системы координат к геометрическим размерам конкретной конструкции КС, которое может вестись в последовательной, плоской или объёмной постановке, но отражать влияние основных конструктивных и режимных параметров камеры сгорания на её основные характеристики, наиболее полно отвечает вышеперечисленным условиям.
Из вышесказанного следует, что расширение и углубление экспериментально-теоретических исследований процессов происходящих внутри камеры при переводе её на газообразное топливо, систематизация различных подходов и их модернизация, наряду с использованием статистического материала по отказам и оценке надёжности работы КС, является актуальной задачей.
Целью диссертационной работы: выявление закономерностей проявления характерных дефектов камер сгорания ГТД наземного применения и оценка надёжности их работы на примере двигателей семейства НК; исследование характеристик камер сгорания различного конструктивного исполнения для определения мероприятий по повышению их надёжности; составление расчётной методики оценки температурной неравномерности газового потока на основе моделирования процесса смешения в условиях жаровой трубы.
Указанная цель может быть достигнута путём комплексного решения следующих основных задач диссертационной работы:
- выявление причин возникновения основных дефектов кольцевой камеры сгорания ГТД наземного применения на примере камер сгорания двигателей
- создание методики определения надёжности КС на основе вероятностно П статистического анализа отказов, позволяющей определять надёжность на каждом этапе доводочных работ;
- проведение экспериментальных исследований влияния распределения "вторичного" воздуха по длине жаровой трубы КС на температурную неравно мерность газового потока и эмиссию токсичных веществ;
- разработка физической картины смешения в условиях жаровой трубы кольцевой камеры сгорания;
- создание расчётной методики оценки температурной неравномерности газового потока в камере сгорания на основе моделирования процесса смешения струй и газового потока в условиях жаровой трубы.
П В результате проведения комплекса исследований экспериментально теоретического характера, диссертационная работа содержит совокупность основных научных положений, выводов и рекомендаций по оптимизации рабочего процесса в кольцевых камерах сгорания ГТД наземного применения. Научную новизну диссертационной работы представляют:
Новые экспериментальные данные по влиянию распределения "вторичного" воздуха по длине жаровой трубы КС на формирование полей темпера температур и эмиссионные показатели токсичных веществ на выходе камеры, а именно, окислов азота N0 и оксида углерода СО.
2. Методика оценки надёжности по распределению отказов камеры
3. Методика оценки температурной неравномерности газового потока, составленная на основе моделирования процесса смешения основного газового потока и струй "вторичного" воздуха с учетом изменения скоростей по длине жаровой трубы КС.
На защиту выносятся:
- результаты экспериментального исследования влияния распределения "вторичного" воздуха на процессы смешения в КС и выбросы токсичных веществ (окиси углерода СО и окислов азота N0X).
- методика расчёта температурной неравномерности газового потока в составленная на основе моделирования процесса смешения струй и сносящего потока газов в условиях жаровой трубы камеры сгорания ГТД;
В работе использованы результаты исследований выполненных автором в тесном сотрудничестве с коллективом бригады камеры сгорания ОАО КПП П "Авиамотор". Автор весьма признателен за содействие зам. глав, конструктора А.Н. Королёву и нач. бригады В.К. Мерку шину.
