Введение к работе
Актуальность.
В данной работе вопросы качества распиливания топлива рассматриваются применительно к задачам доводки камер сгорания (КС) авиационных газог/рОинных двигателей (ГТД).
В авиационных ГТД в качестве горючего используется, как правило, жидкое топливо. Сжигание его.в КС двигателей обычно начинается с распиливания топлива на множество мелких капель; при этом образуются капли с величиной средних диаметров (СДК) порядка -(20.. .150) -Ю-6 м.
Для достижения наибольшей эффективности процессов в КС, лучших их рабочих характеристик и характеристик двигателей необходимо, чтобы размеры капель и неравномерность их распределения находились на определенном для кохдой из камер уровне. Кроме того, с учетом структуры внутрикамерного течения требуется достаточно точное распределение топлива по участкам зоны горения.
Желаемые условия по качеству распыла, несмотря на очевидные успехи двигателестроения и соответствующих наук о горении, удается обеспечивать лишь в результате трудоемкой и длительной экспериментальной доводки КС. Производятся и предварительные просчеты конструкции и оценки параметров смеси, однако эти расчеты как правило недостаточно надежны. Главными причинами такого положения являются недостаточная все еще изученность деталей механизмов горения распыленного топлива, отсутствие адекватных моделей для описания различных форм его горения, а также простая нехватка фактических данных о параметрах качества распыла для натурных КС.
Устранение вышеперечисленных и других недостатков во многом связывается с внедрением методов многомерного численного моделирования и соответствующих им лазерно-оптических систем диаг-
.-4-ностики процессов по типу, например, годографических и фазо -- доплеровских. Однако, для задач доводки и начального проектирования КС сохраняется также необходимость и в совершенствовании традиционных до сих пор методов интегральных оценок с применением полуэмпирических корреляционных зависимостей. Причем, для накопления и использования в них данных по параметрам мелкости распыла в большей степени подходят более простые интегральные оптические методы типа дифракционного метода "малых углов", а вместо изокинетических индивидуальных пробоотборников для получению эпюр распределения топлива - многоканальные сборники и др.
В данной работе объектом исследования является рабочий процесс высококомпактной, прямоточной КС малоразмерных ГТД (МГТД) мощностью до 200,..450 кВт, то есть двигателей I типоразмера по классификации ЦИАМ, устанавливаемых на легких самолетах и беспилотных ЛА, что связано с тематикой выполняемых хоздоговорных исследований. От камер подобных двигателей при сравнительно невысоком общем уровне их характеристик жестко, тем ке менее, требуется устойчивая работа в достаточно широком диапазоне режимов. Одним из наиболее очевидных резервов обеспечения требуемых характеристик таких КС рассматривается уменьшение размеров капель распыленного топлива, которые в силу особенностей малоразмерных изделий, с их небольшими зонами горения, получаются не настолько мелкие, как это необходимо. Однако, на какие резервы повышения качества распыла можно рассчитывать и будет ли при этом достигнуто улучшение характеристик - точно неизвестно. С одной стороны, недостаточно данных по качеству распыла и его влиянию, то есть, сказываются те самые причины, о которых выше уже говорилось. С другой стороны, практические вопросы создания и применения оптических методов в диагностике факелов распыла в
литературе освещены еще крайне недостаточно, что сдерживает быстрое их внедрение и использование для накопления экспериментальных данных.
Цель исследования.
Создать необходимое аппаратурно-методическое обеспечение для исследования качества распиливания топлива, накопить с его помощью базу данных по мелкости.распиливания для форсунок МГТД и * количественно оценить влияние средних диаметров капель (СДК) на характеристику "бедного" срыва пламени малоразмерных КС.
Задачи исследования.
-
Создать экспериментальную установку для испытания форсунок и фронтовых устройств ГТД и оснастить ее средствами для опреде-' дения основных параметров факелов распыла.
-
Отработать технологию получения достоверной информации о параметрах мелкости распыла топлива.
-
Накопить необходимую базу данных по средним диаметрам капель для форсунок КС МГТД.
-
Разработать расчетную модель форсунки, позволяющую учитывать взаимосвязь уровня мелкости распыла с конструкцией и режимом работы форсунки.
-
Разработать расчетную модель первичной зоны КС, которая позволяет проследить связь характеристики "бедного" срыва пламени с качеством распиливания топлива форсункой.
-
Разработать комплекс вычислительных программ для обеспечения, оптических измерений, обработки данных по мелкости распыла топлива и срыву пламени в КС.
-
На основе разработанного инструментария провести исследование влияния средних (по Заутеру) диаметров капель на положение "бедной" границы срыва пламени для КС МГТД 1-го типоразмера.
8. Разработать рекомендации по практическому использованию результатов работы.
Научная новизна.
Метод малоуглового рассеяния света на сферических частицах реализован в виде технологии сбора и методики обработки информации с целью определения средних диаметров капель (СДК) и фун-* кции распределения капель по размерам (ФРКР).
'-Накоплена база данных по мелкости распыла форсунками типичных схем для КС МГТД и предложены зависимости для расчета их СЛК.
Получена тенденция изменения характеристики КС по "бедному" срыву пламени для ГТД широкого диапазона размерностей.
На основе накопленных данных по СЛК и эмпирической константе А"» (уравн. (1),(2)), а также с учетом механизмов горения распыленного топлива, получены величины коэффициентов влияния Ка средних диаметров капель на положение "бедной" границы характеристики срыва пламени.
Практическая ценность и внедрение.
Создан инструментарий для проведения сквозного исследования, начиная от измерения влияющего фактора - размеров капель, через анализ характеристик форсунок, до получения оценок их" влияния на характеристики КС.
Полученные результаты по коэффициентам влияния Kd и константе А"» ключевого выражения позволяют на стадии проектирования КС и её форсунки проводить оценки эффективности различных конструктивных мероприятий.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены и_обсуждены: на Всесоюзных (межреспубликанских) научно-технических конференциях "Вихревой эффект и его промышленное применение" (Самара, 1991г.)-, "Газотурбинные и комбинированные уста-
нобки" (Москва, мгту, 1991г.); на научно-технических семинарах "Рабочий процесс в камерах сгорания ВРД" (Москва, МАИ, 1990г.); "Внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика" (Казань, КВВКИУ РВ, 1993г.); "Совершенствование методов и средств стендовых испытаний ВРД и их узлов" (Лыткарино Моск. обл.,РАМ, 1995г.), "Совершенствование мощнос-тных, экономических и экологических показателей ДВС" (Владимир, ВГТУ, 1995г.), "Проблемы экономичности и эксплуатации ЛВС в АПК СНГ" (Саратов, СГАУ, 1995г.); а также - перед ведущими специалистами ОКБ "Гидромеханика" (Уфа, 1993г.), ЦИАМ, МКБ "Гранит" (Москва, 1995г.) и АО СНТК "Двигатели НК" (Самара) (1995г.).
По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов по работе, списка используемой литературы из 232 наименований и 4 приложений. Работа изложена на 206 страницах машинописного текста, содержит 60 страниц с рисунками и 2 таблицы. Общий объём диссертации 267 страниц.
