Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние исследований и разработок в области реализации темы, и постановка задачи исследования 11
1.1 Поисковые исследования в области традиционных камер сгорания газотурбинных двигателей 11
1.2 Поисковые исследования в области камер сгорания вихревого прямоточного типа газотурбинных двигателей 17
1.3 Исследования в области камер сгорания циклонного типа 25
1.4 Состояние исследований и разработок горелочных устройств вихревого противоточного типа 29
1.5 Постановка задачи исследования и научная новизна работы 36
1.6 Выводы по главе 1 39
2 Обоснование выбора модели камеры сгорания для теоретического и экспериментального иссследовния 40
2.1 Исходные положения выбора объекта исследования 40
2.2 Особенности способа реализации рабочего процесса 45
2.3 Особенности конструктивного выполнения камеры сгорания 47
2.4 Особенности работы камеры сгорания 51
2.5 Выводы по главе 2 58
3. Интегральные характеристики камеры сгорания вихревого противоточного типа 59
3.1 Постановка задачи исследования 59
3.2. Исходные положения и система уравнений 60
3.3 Методика расчёта интегральных характеристик камеры сгорания вихревого противоточного типа 101
3.4 Анализ результата расчёта интегральных характеристик 110
3.5 Результаты испытания опытного полноразмерного образца камеры сгорания на соответствие математической модели результатам эксперимента 135
3.6 Выводы по главе 3 140
4. Промышленное применение результатов исследований 141
4.1 Пусковые и стабилизирующие горелочные устройства камер сгорания двигателей летательных аппаратов и газотурбинных установок 141
4.2 Применение камер сгорания вихревого противоточного типа в газотурбинных двигателях и в газотурбинных установках 151
4.3 Результаты испытаний камеры сгорания на жидком обводнённом топливе 159
4.4 Результаты испытаний камеры сгорания на низкопотенциальном газообразном горючем 167
4.5 Выводы по главе 4 175
Заключение 176
Список использованных источников
- Поисковые исследования в области традиционных камер сгорания газотурбинных двигателей
- Исходные положения выбора объекта исследования
- Методика расчёта интегральных характеристик камеры сгорания вихревого противоточного типа
- Пусковые и стабилизирующие горелочные устройства камер сгорания двигателей летательных аппаратов и газотурбинных установок
Введение к работе
Потребность создания конкурентно способных силовых установок двигателей летательных аппаратов и промышленных установок, использующих сжигание топлива, а также реализация новых технологических процессов, диктует необходимость выполнения поисковых работ, связанных с разработкой и исследованием перспективных устройств, используемых для сжигания топлива, обеспечивающих данным установкам энергетически, экономически и экологически эффективные характеристики, технологичность изготовления и эксплуатации. Использование результатов выполненной работы позволит качественно изменить конечную продукцию и разработать новый вид продукции.
Как показал анализ состояния вопроса создания и исследования перспективных устройств, используемых для сжигания топлива, работы в данной области уже ведутся. Созданы и испытаны газотурбинные двигатели (ГТД) с перспективными камерами сгорания - двухъярусной кольцевой и кольцевой типа «Vor-bix», которые показали хорошие характеристики по выбросам, полноте сгорания, полю температуры газа на выходе и по потерям полного давления.
Проведены поисковые исследования камер сгорания вихревого прямоточного типа, которые показали, что осуществление рабочего процесса в поле центробежных сил интенсифицирует перемешивание, приводит к уменьшению неравномерности поля температуры на выходе из камеры, повышает полноту сгорания и расширяет пределы устойчивого горения топлива.
Общими недостатками двухъярусной и двухзонной типа «Vorbix» кольцевых камер сгорания ГТД является следующее:
- сложность конструкции жаровых труб;
- высокая стоимость изготовления и доводки камер сгорания;
- невозможность реализации рабочего режима близкого к стехиометрическо-му режиму.
Характерными недостатками противоточных камер сгорания являются следующие недостатки:
- трудности охлаждения стенок жаровой трубы, вызванные большой величиной отношения поверхности жаровой трубы к её объёму, низкими скоростями воздуха в кольцевых каналах, следовательно, малой интенсивностью внешнего конвективного теплосъёма со стенок жаровой трубы, а так же наличием участка поворота высокотемпературного потока продуктов сгорания;
- трудности с обеспечением приемлемых параметров продуктов сгорания на выходе из жаровой трубы, вызванные большими потерями полного давления во внутреннем кольцевом канале, чем во внешнем, следовательно, невозможностью сбалансировать воздушные струи, втекающие через отверстия во внутренней и внешней стенках жаровой трубы, в отношении начального угла наклона, глубины проникновения и количества движения;
- трудности обеспечения заданной неравномерности поля температуры на входе в сопловой аппарат турбины, связанные с тем, что выход продуктов сгорания находится в непосредственной близости к участку поворота.
Выполнена большая серия исследований опытных образцов и созданных на их базе промышленных устройств относящихся к камерам сгорания циклонного типа, показавших достаточно высокую эффективность рабочего процесса при использовании в тех или иных установках. Однако достаточно длительное пребывание продуктов сгорания в зоне высокой температуры приводит к увеличению выбросов окислов азота с дымовыми газами.
Дальнейший прогресс в области создания перспективных устройств, для сжигания топлива, по мнению автора данной работы, может базироваться на использовании способа реализации рабочего процесса сжигания топлива, осуществляемого в устройствах вихревого противоточного типа. Рабочий процесс в этих устройствах основывается на использовании уникальных свойств сильно закрученных потоков вязкого сжимаемого газа. Часть этих свойств была определена в результате большого числа экспериментальных исследований как Российскими, так и иностранными учёными. Среди Российских учёных, внёсших большой вклад в изучение свойств сильно закрученных потоков вязкого сжимаемого газа, выделяются таких учёные, как Меркулов А. П., Вулис Л. А., Гуляев А. И., Леонтьев А. И., Халатов А. А., Пира-лишвили Ш. А., Кныш Ю. А. и другие. На основе их работ были выполнены исследования опытных образцов горелочных устройств - прототипов камеры сгорания вихревого противоточного типа, которые показали себя перспективными образцами для решения тех или иных задач в области авиадвигателестроения.
В настоящее время ведутся поисковые исследования по созданию одноступенчатой и, создаваемой на её основе, двухступенчатой и двухзонной камер КСВП. Однако, в современной научно-технической литературе очень мало информации о способе реализации процесса сжигания топлива как в двухступенчатой, так и в двухзонной двухступенчатой камерах КСВП, а также их конструктивном выполнении.
Несмотря на интересные положительные результаты, полученные на опытных образцах, дальнейшее развитие и использование двухступенчатой камеры сгорания вихревого противоточного типа для сжигания топлива сдерживается отсутствием их технических характеристик, что сдерживает промышленное применение данных устройств и создание новых устройств, использующих положительные качества полученных разработок. Для получения этих характеристик необходимо провести теоретическое и экспериментальное исследование опытных образцов КСВП для сжигания топлива.
Состояние проблемы определяется постоянно растущими требованиями экологической безопасности; необходимостью повышения работоспособности, эксплуатационных характеристик и технологичности изготовления современных камер сгорания; потребностью создания новых технологий переработки и утилизации различных веществ.
Целью данной работы является разработка нового способа осуществления рабочего процесса сжигания топлива и конструкции камер сгорания для его реализации в промышленности.
Решаемые в данной работе задачи:
- создание модели объекта исследований;
- разработка математической модели и алгоритма расчета;
- создание САПР для автоматизированного научно обоснованного прогнозирования выходных характеристик анализируемых модификаций камеры сгорания;
- разработка полноразмерных образцов объекта исследования и экспериментальная проверка адекватности предлагаемой математической модели их функционирования;
- внедрение модификаций КСВП камеры сгорания вихревого противоточного типа в промышленности.
Автор защищает:
- способ реализации рабочего процесса сжигания топлива в КСВП;
- математическую модель модификаций рабочего процесса КСВП, программную реализацию расчета интегральных характеристик КСВП. Модели КСВП и практические рекомендации по их промышленному применению.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
- разработка нового способа осуществления рабочего процесса и конструктивной схемы различного типа КСВП;
- создание математической модели многоступенчатой КСВП и алгоритма для автоматизированного научно-обоснованного прогнозирования выходных характеристик анализируемых модификаций КСВП.
Выбор опытной модели камеры сгорания базируется на анализе результатов исследований и научно - технических разработок, выполненных разными авторами начиная с середины семидесятых годов. В качестве модели для теоретического исследования взята камера сгорания, объединяющая в себе все модификации рабочего процесса одноступенчатой, двухступенчатой и двухзонной камер сгорания вихревого противоточного типа. Способ реализации рабочего процесса и конструктивное выполнение выбранной опытной модели обладают существенной новизной. Проведя исследование обобщённого варианта камеры сгорания, легко перенести полученные результаты на одноступенчатую, двухступенчатую и двухзонную камеры сгорания вихревого противоточного типа.
В результате проделанной работы по реализации темы исследования:
- создана модель объекта исследования;
- разработана математическая модель и алгоритм расчета;
- создана САПР для автоматизированного научно обоснованного прогнозирования интегральных характеристик анализируемых модификаций КСВП;
- экспериментально доказана работоспособность выбранного способа реализации рабочего процесса и конструктивной схемы камеры сгорания;
- проведена верификация разработанной математической модели, алгоритма расчёта и программного обеспечения, а также полученных интегральных характеристик опытного полноразмерного образца исследуемой камеры сгорания.
Полученные в данной работе результаты имеют перспективное значение для использования как двигателях летательных аппаратов и бортовых энергетических установках, так и в установках применяющихся в различных областях техники.
Предложенный способ осуществления рабочего процесса сжигания топлива, созданная математическая модель обобщённой модификации многоступенчатой КСВП, разработанный алгоритм для автоматизированного научно-обоснованного прогнозирования выходных характеристик и конструктивные схемы модификаций КСВП позволяют:
- провести анализ созданных ранее горелочных устройств вихревого проти-воточного типа, с целью усовершенствования их конструкции и улучшения рабочих характеристик для расширения областей их промышленного применения;
- создать новые типы горелочных устройств, а именно, различные модификации камер сгорания вихревого противоточного типа для эффективного решения многие технических задач стоящих в настоящее время;
- сделать научно технический задел для создания перспективных установок и устройств будущего.
Реализация результатов работы:
- опубликовано 14 статей и тезисов докладов;
- получено 2 патента на изобретения;
- с участием автора по теме диссертации выпущено 3 научно - технических отчёта по хоздоговорным работам;
- КСВП награждена золотой медалью и двумя дипломами III Московского Международного салона инноваций и инвестиций {Москва, ВВЦ, 4-7 февраля 2003 г.);
- две модификации КСВП внедрены в мобильный комплекс, ШФ ИТЭС ОИВТ РАН, финансируемый на основании постановления правительства РФ от 30.12.2004 г., №876-46.
Поисковые исследования в области традиционных камер сгорания газотурбинных двигателей
Потребность создания конкурентно способных установок, использующих сжигание топлива, а также реализация новых технологических процессов, диктует необходимость выполнения поисковых работ связанных с разработкой и исследованием перспективных устройств, используемых для сжигания топлива, обеспечивающих промышленным установкам энергетически, экономически и экологически эффективные характеристики, технологичность изготовления и эксплуатации. Использование результатов выполнения работы позволит качественно изменить конечную продукцию и разработать новый вид продукции.
По функциональному назначению устройства сжигания топлива подразделяются на горелочные устройства и камеры сгорания. В свою очередь камеры сгорания, в зависимости от применения, определяющего рабочий процесс, реализуемый в ней, делятся на камеры сгорания авиационных двигателей и газотурбинных установок, и циклонные камеры сгорания теплоэнергетических установок.
В настоящее время особенно остро стоит вопрос обеспечения экологической безопасности применения различного типа и назначения установок. Значительный прогресс в разработке камер сгорания с низким уровнем выбросов достигнут в начале восьмидесятых годов Центральным управлением США по аэронавтике и исследованию космического пространства в рамках программы создания экспериментальной «чистой» камеры сгорания [1]. Разработчиками в этой программе были фирмы «Дженерал электрик» {двигатель CF6-50) и «Пратт - Уитни» {двигатель JT9-7). Программа завершилась испытаниями опытных образцов обоих двигателей с перспективными камерами сгорания - двухъярусной кольцевой в первом случае и кольцевой типа «Vorbix» во втором. Поперечные разрезы этих камер схематически показаны на рисунках 1.1 и 1.2. В этих конструкциях камер сгорания организовано зонное горение, что обеспечивает уменьшение выбросов загрязняющих веществ во всём эксплуатационном режиме двигателя. Дежурная зона горения обоих камер оптимизирована в отношении высокой полноты сгорания топлива на режиме малого газа и снижения выбросов СО и СНх, тогда, как основная зона создаёт бедную смесь, оптимальную в отношении выброса NOx на режимах большой мощности. В обеих конструкциях использованы: зонная подача топлива, форсунки с пневмораспылом, предварительное смешение топлива с воздухом и сжигание бедной смеси.
Внешняя зона горения двухъярусной камеры рассчитана на режим малого газа. Она также обеспечивает дежурное пламя для внутренней, основной зоны, которая подключается на остальных режимах работы двигателя. Результаты испытаний двигателя CF6-50 с этой камерой представлены в таблице 1.1 ([1], с. 509).
Из таблицы 1.1 следует, что только по углеводородам поставленная цель была достигнута. Уровни выброса СО и NOx оказались значительно ниже, чем для серийной камеры, но выше допустимых стандартом ЕРА выбросов. Окончательный вариант экспериментальной камеры сгорания в автономных испытаниях на установке показал значительно лучшие результаты.
Камера типа «Vorbix» имеет две зоны горения, расположенные последовательно. Верхняя по потоку дежурная зона представляет собой обычную, стабилизированную за лопаточным завихрителем зону горения. Покидающие дежурную зону горячие газы проходят через горловину и воспламеняют топливовоздушную смесь в основной зоне, функционирующей на режимах большой мощности. Добавочное топливо поступает в основную зону горения после смешения с большим количеством воздуха, втекающего через два ряда завихрителей. Закрутка втекающего воздуха завихрителями обеспечивает быстрое смешение с образованием однородной бедной смеси.
Вариант типа «Vorbix» продемонстрировал наилучшие характеристики: выбросов, полноты сгорания, поля температуры газа на выходе и потерь полного давления. В таблице 1.2 ([1], с. 510) сопоставляются уровни выбросов камеры типа «Vorbix» с данными серийной камеры сгорания, а также с уровнями, допустимыми по стандартам ЕРА.
Из таблицы 1.2 следует, что камера типа «Vorbix» позволяет выполнить требования стандартов по выбросам вредных газообразных веществ, но допустимый уровень дымления значительно превышен. В ходе автономных испытаний камеры уровень дымления не измерялся, так как он был очень низок, и сравним с уровнем дымления двигателя JT9D-7 с серийной камерой. Дополнительная доводка позволяет уменьшить выброс дыма до требуемого уровня.
Судя по результатам, полученным по программе ЕСС, камеры сгорания, созданные по перспективной технологии, удовлетворяют требованиям по выбросу несгоревших углеводородов, содержащимся в стандарте как 1981 года, так и 1984 года. Дальнейшие доводочные работы позволяют выполнить требования стандартов по вредным выбросам.
Развитием базового варианта камеры сгорания типа «Vorbix» для двигателя JT8D-17 явилась камера сгорания, показанная на рисунке 1.3. В камере с предварительной подготовкой смеси и двухзонным горением, рисунок 1.4, сделана попытка улучшения смешения топлива и воздуха в основной зоне горения путём испарения топлива до его подачи в смесительный патрубок. Топливо перед впрыском находится при сверхкритическом давлении и подогревается путём регенерации тепла стенок дежурной зоны горения. При впрыске в смесительный патрубок топливо практически мгновенно испаряется.
Исходные положения выбора объекта исследования
Благодаря использованию результатов исследований и научно-технических разработок, полученных другими авторами, начиная с середины семидесятых годов, а так же автором данной работы, появляется возможность выбора и обоснования объекта исследования, объединяющего несколько вариантов осуществления рабочего процесса сжигания топлива, и конструктивных схем камеры сгорания вихревого противоточного типа для его реализации. На основе анализа литературных источников формируется модель объекта для последующего теоретического и экспериментального исследования, то есть для реализации поставленной в данной работе цели.
В современной научно-технической литературе полностью отсутствует информация о способе реализации рабочего процесса в двухзонной двухступенчатой камере сгорания вихревого противоточного типа. Это связано с отсутствием данной камеры сгорания.
Из наиболее интересных технических решений относящихся к камерам сгорания следует отметить одноступенчатую камеру кольцевую сгорания вихревого противоточного типа, конструктивная схема которой представлена на рисунках 2.1 - 2.4 [133]. Дальнейшее развитие эти разработки получили в создании рабочего процесса двухзонной [134] и двухступенчатой камерах сгорания вихревого противоточного типа [135, 136], конструктивные схемы которых представлены соответственно на рисунках 2.5 - 2.7 и рисунках 2.8 - 2.13. Эти камеры сгорания находят применение в разрабатываемых установках, использующих их в качестве важных узлов для реализации технологического процесса [137-149].
Способы реализации рабочего процесса в указанных камерах сгорания одноступенчатой, двухступенчатой и двухзонной камерах сгорания, а также их конструктивные схемы и реализация работы указывают на их перспективность. Наличие новизны в реализации рабочего процесса и в конструктивном выполнении этих устройств его реализующих не вызывает сомнений, [133-136].
Имеется ряд устройств и технологических процессов, в которых рассмотренные выше разработки положены в основу рабочего процесса и конструкцию основных узлов. Использование их значительно улучшает характеристики известных технологических процессов и позволяет создать новые устройства и технологии [146 - 149]. Всё это подтверждает актуальность проводимых в данной работе исследований.
В данной работе впервые делается попытка объединить в одном способе реализации рабочего процесса, осуществляемом в двухзонной двухступенчатой камере сгорания вихревого противоточного типа, все модификации рабочего процесса одноступенчатой, двухступенчатой и двухзонной камер сгорания вихревого противоточного типа. Выполненные опытные образцы двухзонной двухступенчатой камеры сгорания вихревого противоточного типа подтверждают реальность её создания и получения хороших результатов при её применении.
Главной особенностью способа реализации рабочего процесса в двухзонной двухступенчатой камере сгорания вихревого противоточного типа является объединение достоинства способов реализации рабочих процессов двухзонной и двухступенчатой камер сгорания вихревого противоточного типа.
Способ реализации рабочего процесса по первому варианту осуществляется следующим образом. Воздух от внешнего источника разделяется на три потока, один из которых подаётся в основную ступень (в основную зону), другой -в первую ступень, а третий - в дежурную зону камеры сгорания. В периферийной области основной ступени (основной зоны) камеры сгорания создаётся сильнозакрученный воздушный поток - периферийный вихрь, который в при-осевой области возбуждает приосевой вихрь. Направление движения приосево-го вихря противоположно направлению движения периферийного вихря. Начало формирования периферийного вихря и выход приосевого вихря (выход продуктов сгорания) находятся в одном сечении, перпендикулярном оси периферийного и приосевого вихрей. Топливовоздушная смесь создаётся как в основной ступени (основной зоне), так и в первой ступени камеры сгорания.
Для образования топливовоздушной смеси в первой ступени сильно закрученный поток воздуха первой ступени разгоняют до больших скоростей, создавая сильнозакрученный активный поток, формирующий в плоскости его образования структуру потока с высоким радиальным градиентом статического давления. В качестве пассивного потока используют газообразное топливо первой ступени. Это топливо поступает в центральную часть создаваемого активного потока за счёт формирования высоким радиальным градиентом статического давления высокого осевого градиента статического давления. Образовавшаяся топливовоздушная смесь поджигается тепловым источником и сжигается в первой ступени, а дожигание осуществляется в приосевом вихре основной ступени (основной зоны) камеры сгорания.
Образование топливовоздушной смеси в основной ступени (основной зоне) камеры сгорания осуществляется следующим образом. Топливо основной ступени подаётся в начало формирования периферийного вихря. В нём создаётся поток смеси топлива с воздухом. В дежурной зоне камере сгорания создаётся воздушный поток, который, выходя из неё, поступает в периферийный вихрь основной зоны камеры сгорания, при этом направление движения потока дежурной зоны совпадает с направлением вращения периферийного вихря. В воздушный поток дежурной зоны подаётся дежурное топливо, формируется поток топливовоздушной смеси, которая поджигается внешним источником тепловой энергии и сжигается с коэффициентом избытка воздуха близким к единице. Поток продуктов сгорания дежурной зоны камеры сгорания, имеющий высокую температуру и скорость, максимальную для данного давления, выбрасывается тангенциально в топливовоздушную смесь периферийного вихря основной ступени камеры сгорания, поджигает её и стабилизирует процесс горения. Таким образом, формирование топливовоздушной смеси, её воспламенение и сжигание осуществляется как в первой ступени, так и в основной ступени - в основной зоне камеры сгорания, в периферийном вихре, а процессы дожигания и разбавления - в приосевом вихре.
Методика расчёта интегральных характеристик камеры сгорания вихревого противоточного типа
Режимный параметр Ау является режимной характеристикой, определяющей режим работы по соотношениям: коэффициентов избытка воздуха; состава топлива; температур рабочего тела, подаваемых в первую и в основную ступени камеры сгорания, в форкамеру первой ступени и в дежурное горелочное устройство - в дежурную ступень (в дежурную зону). Для воздуха, подаваемого через сопловой закручивающий аппарат первой и основной ступени, необходимо принять а0 = ап = оо.
Геометрический параметр Fy является геометрической характеристикой, определяющей влияние геометрических размеров основных элементов проточной части камеры сгорания на структуру потока в рабочих зонах и, тем самым, на рабочий процесс камеры сгорания.
Такими основными элементами проточной части камеры сгорания являются: сопловой закручивающий аппарат основной ступени; сопловой закручивающий аппарат первой ступени; выходное сопло дежурного горелочного устройства; выходное сопло форкамеры; выходное сопло камеры сгорания; а также диаметры сечений в плоскости сопловых закручивающих аппаратов первой и основной ступени, и в плоскости размещения форкамеры и дежурного горелочного устройства.
Газодинамический параметр By - параметр, характеризует влияние безразмерных скоростей и режима истечения рабочего тела из соответствующих сопловых закручивающих аппаратов, сопел горелки и форкамеры на рабочий процесс камеры сгорания.
Второй газодинамический параметр - параметр, характеризует влияние статических давлений в зоне формирования периферийного вихря соответствующей ступени на режимы течения в рабочих зонах камеры сгорания.
В процессе исследования была создана автоматизированная система, позволяющая аналитически производить моделирование рабочего процесса в камерах сгорания вихревого противоточного типа различного предназначения с получением их эксплуатационных характеристик. Система позволяет получать интегральные характеристики в параметрическом виде, что позволяет научно - обоснованно изменять режим работы и конструкцию камеры сгорания. САПР позволяет получать любые графические зависимости, комплексно отражающие взаимосвязь и взаимовлияние различных факторов.
Математическое обеспечение расчёта и анализа интегральных характеристик камеры сгорания вихревого противоточного типа представлено математической моделью, алгоритмом расчёта, методикой расчёта и компьютерной программой, выполненной на языке Delphi 7 (см. приложения А и Б).
Перечень исходных параметров для расчета предельных характеристик камеры сгорания показан на рисунке 3.2. Обозначение исходных параметров представлены ниже. 1. Г -топливо (ВРД, ГТД, ГТУ, ГТЭУ или КС наземных установок), горючее (ЖРД), используемое в ступенях камеры сгорания.
В качестве топлива основной ступени может быть использовано как низкопотенциальное топливо, так и высокопотенциальное. Выбор топлива зависит от функционального назначения установки использующей предлагаемую камеру сгорания. При использовании исследуемой камеры сгорания в качестве основной камеры сгорания газотурбинного двигателя необходимо применять высокопотенциальное жидкое или газообразное топливо - авиационный керосин, водород, природный газ. Если исследуемая камера используется в ГТУ или в ГТЭУ, то выбор типа основного топлива в этом случае зависит от назначения установки. При использовании ГТУ в качестве силовой установки, например компрессора газоперекачивающей станции, в виде топлива основной ступени камеры сгорания применяется природный газ.
Если ГТУ используется в качестве ГТЭУ, выбор топлива становится более разнообразным: природный газ; пиролизный газ, получаемый при переработке бытовых и промышленных отходов, при газификации угля и так далее; доменный газ; синтетический газ; биогаз и другое топливо.
В случае применения в качестве топлива основной ступени камеры сгорания низкопотенциального топлива, то для стабилизации рабочего процесса основной ступени необходимо использовать дежурную горелку. При этом дежурная горелка или несколько горелок, использующих высокопотенциальное топливо, могут выполнять функцию дежурной ступени, оказывающей существенное влияние на структуру потока в основной ступени. В этом случае продукты сгорания дежурной ступени поступают тангенциально в периферийную зону основной ступени, участвуя в формировании периферийного вихря.
В качестве топлива первой ступени предлагаемой двухступенчатой камеры сгорания ГТД используется: авиационный керосин (авиационные ГТД); технический керосин, солярка, низковязкий мазут (транспортные ГТД); природный газ; водород.
Широкое применение исследуемая двухступенчатая камера сгорания вихревого противоточного типа найдёт в ГТЭУ работающей на низкопотенциальном топливе. Это топливо подаётся в первую ступень камеры сгорания, формируется в ней в виде компонента топливовоздушной смеси, которая поджигается электрической свечей зажигания или воспламенителем факельного типа. Процесс сжигания топлива начинается в первой ступени, завершаясь в основной ступени, с формированием на выходе из камеры сгорания факела продуктов сгорания с заданными параметрами.
При применении двухступенчатой камеры сгорания вихревого противоточного типа в установках термической переработки и утилизации веществ возможно использование газообразного топлива первой ступени, давление которого ниже атмосферного. Это вызвано тем, что вход в первую ступень камеры сгорания соединён с термохимическим реактором, производящим пиролизный газ. В этом случае давление в термохимическом реакторе должно быть равным, или ниже атмосферного (с целью устранения возможных утечек пиролизного газа из реактора). Для обеспечения подачи горючего с таким давлением на входе в первую ступень помещён вихревой эжектор, функцию которого выполняет тангенциально установленное сопло для выхода скоростного высокотемпературного потока продуктов сгорания форкаме-ры или блока из нескольких форкамер - форкамерной ступени.
Пусковые и стабилизирующие горелочные устройства камер сгорания двигателей летательных аппаратов и газотурбинных установок
Полученные в данной работе результаты исследований имеют перспективное значение для использования как двигателях летательных аппаратов и бортовых энергетических установках, так и в установках применяющихся в различных областях техники.
Предложенный способ осуществления рабочего процесса сжигания топлива, созданная математическая модель обобщённой модификации многоступенчатой КСВП, разработанный алгоритм для автоматизированного научно - обоснованного прогнозирования выходных характеристик и конструктивные схемы модификаций КСВП позволяют: - провести анализ созданных ранее горелочных устройств вихревого противоточного типа с целью усовершенствования их конструкции и улучшения рабочих характеристик для расширения областей их промышленного применения; - создать новые типы горелочных устройств, а именно, различные модификации камер сгорания вихревого противоточного типа для эффективного решения многие технических задач стоящих в настоящее время; - сделать научно-технический задел для создания перспективных установок и устройств будущего.
На рисунке 4.1 показаны потенциальные потребители полученных результатов и даны основные направления использования предлагаемого устройства вихревого противоточного типа. Среди этих областей можно выделить двигатели летательных аппаратов и бортовые энергетические установки, транспортное и стационарное турбостроение, переработка и утилизация бытовых и промышленных отходов, химическая промышленность, теплоэнергетика, деревообрабатывающая промышленность и другие. Полученные результаты могут быть применены в ГТД, в ГТУ, в теплоэнергетических установках и в технологических процессах, связанных со сжиганием топлива и так далее.
Область применения установок и устройств, использующих в основе своей конструкции КСВП, предъявляет к ней свои технические требования. В результате этого необходимо индивидуально подходить к конструкции и рабочему процессу каждого конкретного варианта устройства, то есть появляются модификации базового варианта.
Благодаря использованию уникальных свойств сильно закрученного про-тивоточного движения газовых потоков удаётся энергетически, экономически и экологически эффективно решать многие технические проблемы, стоящие в настоящее время, а так же сделать научно технический задел для создания перспективных установок и устройств будущего.
В области двигателей летательных аппаратов, бортовых энергетических и промышленных теплоэнергетических установок использование полученных результатов позволяет создать целую гамму горелочных устройств, обеспечивающих надёжный запуск, устойчивую работу и качественный рабочий процесс основной камеры сгорания газотурбинных двигателей и газотурбинных установок независимо от изменения температуры и давления окружающей среды. Среди таких устройств находятся запальники факельного типа, стабилизирующие горелки и горелочные устройства камер сгорания. Основная трубчатая или кольцевая камера сгорания, выполненная на базе КСВП, является надёжной, технологичной в производстве и эксплуатации. Она имеет хорошие технические, энергетические и экологические характеристики, способна работать на различных видах топлива, включая энергетически низкопотенциальное топливо.
Широкое применение предлагаемая камера сгорания вихревого противо-точного типа находит в разрабатываемых теплоэнергетических установках по термической переработке и утилизации твердых и жидких органических отходов. Благодаря газодинамической структуре сильно закрученных высокотемпературных вихревых потоков удается создать модификации КСВП для сжигания пиролизного газа, для получения газифицирующего агента, для сжигания сильно забалластированных жидких и газообразных отходов, обеспечивающих при этом энергетическую, экономическую и экологическую эффективность установки в целом.
Применение результатов выполненной работы в специализированных и тепловых установках позволяет создать различного типа и назначения устройства: по получению активированного и специального угля, специальных веществ, а так же различного рода установки для сжигания твёрдого, жидкого, газообразного и двухфазного топлива. Использование альянса КСВП и вихревого тепло-обменного аппаратом возможно создание компактной тепловой установки с интенсифицированным рабочим процессом и более качественными техническими, экономическими и экологическими характеристиками, чем аналогичные изделия известных фирм.
Экономические и социальные аспекты выполненной работы определяются выпуском высококачественной, относительно, недорогой продукции. Эта продукция имеет социальную направленность, которая связана с уменьшением загрязнения окружающей среды, экономией топливо энергетических ресурсов, путём использования в энергетических блоках низкопотенциальных видов топлива. Таким топливом может быть пиролизный, синтетический, промышленный газ, биогаз и др. Получая пиролизный газ из бытовых и промышленных отходов, решаются многие задачи - очистка окружающей среды, обеспечение жителей тепловой и электрической энергией, создание дополнительных рабочих мест.
