Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы по теме. Постановка задач исследования 10
1.1. Роль камеры сгорания в совместной работе узлов ГТД 10
1.2. Использование обобщенных интегральных характеристике авиадвигателестроении 12
1.3- Использование графоаналитических методов исследования процессов горения 16
1 .4, Использование критериев подобия для моделирования процессов горения в камере сгорания 23
1.5. Постановка задач исследования 27
2. Теоретические основы обобщенной интегральной характеристики камеры сгорандя ГТД 30
2.1. Структура изучаемого объекта,*. лі 30
2.2. Характеристики камеры сгорания?,*.,,, 35
2.3. Понятие обобщенной интегральной характеристики камеры сгорания ГТД 40
2.4. Критериальное рассмотрение задачи обобщенной интегральной характеристики камеры сгорания ГТД 44
2.5. Особенности экспериментально-расчетного определения параметров обобщенной интегральной характеристики камеры сгорания 51
3. Экспериментальные стенды и объекты исследования 59
3.1. Экспериментальная установка по исследованию модели камеры сгорания 59
3.2. Экспериментальный стенд по исследованию натурных камер сгорания 60
3.3. Стенд по определению характеристик ГТД ДГ-4М 62
3.4. Объекты исследования 64
3.5. Оценка точности измерения параметров 68
4. Обобщенная интегральная характеристика камеры сгорания в модельных условиях 71
4.1. Частные характеристики модели камеры сгорания 71
4.2. Обобщенная интегральная характеристика модели камеры сгорания 76
5. Обобщенные интегральные характеристики камер сгорания натурных объектов 84
5.1. Обобщенная интефальная характеристика камеры сгорания малоразмерного ГТД в стендовых условиях 85
5.2. Обобщенная интегральная характеристика
камеры сгорания в составе двигателя ДГ-4М 98
6. Рекомендации по использованию результатов работы 102
Основные результаты и выводы 123
Список литературы
- Роль камеры сгорания в совместной работе узлов ГТД
- Понятие обобщенной интегральной характеристики камеры сгорания ГТД
- Экспериментальная установка по исследованию модели камеры сгорания
- Частные характеристики модели камеры сгорания
Введение к работе
В современном авиадвигателестроении остается актуальной задача повышения экономических и экологических параметров ГТД. В связи, с тем, что ГТД является сложной системой, объединяющей такие узлы, как компрессор, камера сгорания (КС), турбина одним из направлений доводки двигателя является согласование совместной работы его узлов /27/. Указанное согласование предпочтительно проводить с использованием т.н. интегральных характеристик. Кроме того, эти характеристики используются при расчете высотно-скоростных характеристик двигателя (ВСХ).
Далее в работе под интегральной обобщенной характеристикой (ОХ) понимается паспорт узла, который содержит информацию обо всех возможных режимах работы с выделением области оптимальных режимов работы и указанием уровня основных показателей экономичности - надежности - эко-логичности (ЭНЭ) в каждой точке ее поля. Как правило, обобщенные интегральные характеристики являются многопараметрическими. Поле такой характеристики принято координировать критериями подобия, определяющими режимы работы узла или двигателя в целом.
В литературе /27, 34, 52/ представлены характеристики такого рода как двигателя, так и некоторых его узлов: компрессора, турбины. Характеристика компрессора изображается графически, как функция основных его параметров: степени повышения давления и КПД от приведенных частоты вращения ротора и расхода рабочего тела.
В основных работах по теории ГТД при анализе процессов, протекающих в камере сгорания (КС) используются как правило ее однопараметриче-ские характеристики: полноты сгорания топлива, гидравлические, эмиссионные и др. При расчете же ВСХ ГТД обычно применяется математическая модель КС в виде rKC=const, rjv=const Как показывает опыт при использовании интегральных характеристик узлов математическая модель ГТД сущест венно уточняется. Анализ вида интегральных характеристик конкретных узлов дает дополнительную информацию о работе этого объекта и позволяет более успешно проводить его доводку.
Очевидно, что те же результаты можно получить имея обобщенную интегральную характеристику камеры сгорания ГТД.
Учитывая вышеизложенное была поставлена цель данного исследования - разработать обобщенную интегральную характеристику камеры сгорания (ОХКС) для уточнения математической модели ГТД.
Не следует понимать под "обобщенной" абсолютно универсальную характеристику, пригодную для описания процессов происходящих в камере сгорания любого типоразмера. В данном случае этот термин подразумевает обобщение множества однопараметрических характеристик, которыми в настоящий момент описывается рабочий процесс КС.
Определиться с координатами поля позволяет использование теории подобия /8, 16/. Решение свелось к отысканию и описанию 2-х критериев подобия, в наибольшей степени характеризующих рабочий процесс в камере сгорания, которые были использованы в качестве координат поля ОХКС.
В исследованиях процесса горения широкое применение получили графоаналитические методы, суть которых может быть принята за основу при разработке ОХКС.
Широкое распространение графоаналитических методов исследования задач теории горения связано со значительной сложностью чисто аналитического решения из-за значительного числа упрощений и допущений, принимаемых в ходе решения.
На основе обзора литературы было принято, что наиболее близким аналогом для отработки понятия ОХКС является характеристика компрессора (ХК). Причем в данной работе понятие ХК (как прототип для ОХКС) включает в себя кроме содержания собственно характеристики компрессора еще и методологию ее разработки, общие принципы получения характери стики конкретного объекта, а также способы ее использования в процессе создания узла и двигателя.
Очевидно, что в одной работе выполнить весь этот перечень не представляется возможным. Поэтому были выделены первоочередные вопросы, на которые следовало найти ответы и которые были сформулированы как задачи данного исследования.
С целью отработки внешнего вида и содержания ОХКС были проведены экспериментальные исследования на модели и натурных объектах в условиях автономных испытаний и работе в составе двигателя.
В результате проведенных исследований впервые получен вид обобщенной интегральной характеристики камеры сгорания, определены закономерности расположения в ее поле показателей ЭНЭ. При проведении экспериментов исследовалось влияние ряда режимных (давление и температура воздуха на входе в КС, состав ТВС) и конструктивных параметров (смена фронтового устройства) на вид характеристик .
Важным результатом этих исследований можно считать, то что впервые получен вид линии рабочих режимов газотурбинного двигателя в поле ОХКС.
Проведенные исследования продемонстрировали, что ОХКС представляет собой методологический инструмент доводки КС как в составе двигателя, так и автономно. Показано, что для каждой конструкции КС существует поле характеристики конкретной формы. Приведен пример выделения области оптимальной работы по показателям ЭНЭ в поле ОХКС малоразмерного гтд.
На основе анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований были сформулированы рекомендации по практическому применению ОХКС на стадиях проектирования и доводки ГТД, а также для получения новой информации по рабочему процессу в камере сгорания. Они оказались полезными при доводке камер сгорания двигателей предприятий МКБ "Гранит", г.Москва; ОАО СНТК им. НД.Кузнецова, г.Самара, Материалы, положенные в основу данной работы нашли отражение в научных публикациях по направлениzям совершенствования рабочего процесса камер сгорания, а также повышения показателей эффективности работы ГТД/18-25, 29/. Настоящее исследование является частью научно - исследовательских работ по совершенствованию рабочего процесса камер сгорания авиационных ГТД, проводимых в Самарском государственном аэрокосмическом университете (СГАУ) /60-66/.
Роль камеры сгорания в совместной работе узлов ГТД
На любом установившемся режиме работы двигателя параметры воздуха и газа во всех его элементах однозначно связаны друг с другом условиями совместной работы. Эти условия позволяют получить методику расчета ГТД сводящуюся к последовательному определению параметров газового потока вдоль тракта двигателя на расчетном режиме. При этом потери, свойственные тем или иным элементам двигателя, учитываются эмпирическими коэффициентами, величина которых выбирается в зависимости от параметров, характеризующих работу этих элементов.
Одним из важнейших элементов ГТД является его камера сгорания. Работа данного узла обеспечивает такой необходимый параметр, как температура газа на входе в турбину Гг , связанный с работой термодинамического цикла двигателя.
Следует отметить, что как при термогазодинамическом расчете, так и при анализе условий совместной работы двигателя данному узлу уделяется незначительное внимание.
В работе /50/ определение относительного расхода топлива предлагается проводить по формуле: срТр -срТк Нитіг-іТг +срТк У }
При этом допускается, что уровень г}т (для расчетного режима) составляет 0,97... 0,99. Однако, следует учитывать, что даже незначительные отклонения условий работы двигателя от оптимальных могут привести к падению полноты сгорания топлива на 5% и более /41/, Это приведет к заметному изменению температуры газов за КС Тг , что в свою очередь, обеспечит изменение других параметров ГТД: я , jK , пс и т.д. Тем не менее, на практике принято для проектных расчетов определение температуры на выходе из КС 7Г проводить на основе использования номо-нограмм /11/, где изменение полноты сгорания топлива не учитывается, что может привести к ошибкам при определении расхода топлива или температуры газов.
В процессе проектирования и доводки двигателей часто возникает необ ходимость определения изменений их характеристик, вызванных отклонени ем отдельных параметров от первоначальных расчетных значений» При этом рассматривается изменение работы цикла» удельной тяги и удельного расхо да топлива от таких параметров двигателя, как степень повышения давления в компрессоре, КПД компрессора, степени расширения газа в турбине и КПД турбины, коэффициента скорости газа в сопле» температуры газа перед тур биной Гг . Обращает здесь на себя внимание тот факт, что не рассматривает ся влияние полноты сгорания топлива на вышеперечисленные параметры в условиях совместной работы узлов ГТД. Более того, для упрощения системы уравнений, которые описывают совместную работу элементов двигателя, принимаются различные допущения. Одним из таких допущений /35/ явля ется утверждение о том, что из всех элементов ГТД компрессор отличается наиболее сильным изменением параметров при изменении условий полета или режима двигателя. Следовательно, рассматривается получение прежде всего степени повышения давления, расхода воздуха, КПД компрессора, ко торые удовлетворяла бы уравнениям, описывающим харак теристику компрессора, которая рассматривается ниже. Б то же время, про характеристики КС говорится следующее. "Без характеристик камер сгора ния, связывающих акс с режимом двигателя, можно обойтись практически во всех случаях, тж. на рабочих режимах величина тте меняется очень незначи тельно" /35/.
При этом полностью отсутствует упоминание о других характеристиках КС, определяющих в значительной степени работу ГТД. К важнейшей из них следует отнести зависимость TT —f(a)9 которую из-за наличия номограмм 7V - Гк - т перестали относить к характеристикам КС. Тем не менее известно, что величина Гг в реальной КС представляет собой поле температур, следовательно характер его изменения по режимам работы двигателя и КС необходимо знать, поскольку непредсказуемая неравномерность этого поля может в результате давать осредненные значения Тг заметно отличающиеся от рассчитанных по номограмме Тг - Гк - gv
Очевидно, что анализ совместной работы узлов ГТД является достаточно сложным, что вызывает появление дополнительных инструментов, облегчающих его. Наиболее часто таким инструментом является характеристика компрессора /52, 53/. Она позволяет получить в своем поле геометрическое место точек, параметры в каждой из которых являются решением системы уравнений, описывающих условия совместной работы компрессора, КС и турбины. Данное место точек называется линией совместной работы.
Существуют также характеристики турбины и двигателя в целом. Следует подробнее рассмотреть их.
Понятие обобщенной интегральной характеристики камеры сгорания ГТД
Поле характеристики КС должно связывать между собой выходные параметры работы камеры с параметрами режима и условиями, которые по отношению к данному узлу двигателя могут считаться внешними. Выходные показатели работы КС следует назначать таким образом, чтобы с их помощью в поле ОХКС можно было бы наносить изолинии ЭНЭ — Экономичность КС оценивается Коэффициентом полноты сгораний топлива — 7}гг т. к. эта величина входит как составляющая в полный КПД ГТД, который определяет удельный расход топлива. Другим показателем экономичности (или эффективности работы КС) служит величина ткс = Р / Р . От величины 7КС зависят степень расширения продуктов сгорания а каналах Турбины и сопла, а следовательно, и удельная мощность двигателя. Здесь, однако, следует отметить, что по природе критериев подобия, используемых в ОХКС, имеет место лишь отражение тепловой составляющей гидравлического сопротивления в КС-Надежность работы КС можно оценить тремя составляющими» 1) надежность самой конструкции КС, т.е. запасы относительно критических для материалов жаровой трубы и корпусов тепловых и механических нагрузок, С организацией рабочего процесса непосредственно связаны тепловые нагрузки. Запасы по ним оцениваются температурой стенок ТСт = Тст / ст КР косвенным параметром определяющим их величину является в при фиксированном Тк . Запасы по механическим нагрузкам относятся к характеристике силовой схемы КС и, следовательно, в рассматриваемую схему не входят;
2)надежность работы КС с точки зренїія организации ее рабочего процесса может оцениваться достаточным удалением ее рабочих режимов от границ срыва пламени — ДКСр как «богатого» (коэффициент избытка воздуха а I), так и «бедного» ( а 1). Данная оценка не всегда актуальна для двига телей первых поколений. Однако она может иметь место при оценке нераЬ-четных режимов, например, в высотных условиях /68/- Современные тенденции в двигателестроении также повышают значимость данного параметра, т.к, растет число исследований по работе КС как в значительно «забеднён-ных», так и «забогащенных» составах смеси, что связано с желанием снизить уровень вредных выбросов с продуктами сгорания /28, 72/.
3)к показателям надежности работы КС можно отнести неравномерность поля температур продуктов сгорания на выходе из КС — &рг. Хотя на работоспособность самой КС этот параметр не влияет, он является едва ли не основным показателем, задающим надежность работы самого нагруженного узла двигателя — газовой турбины.
— Экологичность работы КС описывается индексами эмиссии ЕІ веществ, выбросы которых предполагается контролировать. К ним в настоящее время относятся выбросы окиси углерода — СО, углеводородов — СпНт, оксидов азота — NOx.
Выбор уровней параметров, отвечающих требованиям ЭНЭ КС, определяется требованиями технического задания на проектирование узла- Уровни эмиссий вредных веществ в продуктах сгорания выбираются на основании государственных нормативов на выбросы данных веществ в атмосферу /54/,
Границы OOP по экономичности КС наносят по изолинии требуемого коэффициента полноты сгорания топлива; Т г так задается соответствующей степенью подогрева рабочего тела &тах; уровни эмиссии вредных веществ могут задаваться как непосредственно, изолиниями Е19 так и, например, выброс СО и СИ — величиной минимальной полноты сгорания топлива ттт}Гі выбросы оксидов азота — соответствующей степенью подогрева. Внешними условиями для КС являются параметры рабочего тела (воздуха) Рк , Г/, GB, которые задаются работой предыдущего узла - компрессора.
Режим работы КС определяется расходом рабочего тела - ?н и уровнем его энтальпии на выходе - ir . Последний параметр - определяющий для двигателя. Степень подогрева газа в в свою очередь определяется коэффи циентом избытка воздуха а = —ё—. Таким образом, ОХКС должна предел L0 ставлять собой зависимость: в іт Ж 69г ДІ ffaP X,0,,)=/ (22) Решить поставленную задачу можно имея математическую модель КС, описывающую рабочий процесс системой дифференциальных уравнений. Однако физическая картина процесса горения в КС настолько сложна, что не удается составить замкнутую систему уравнении с четким определением граничных условий, либо при наличии такой системы ее не удается проинтегрировать без грубых упрощений» не отвечающих истинному ходу процесса.
Та же сложность явлений делает весьма трудным и всякое достаточно четкое экспериментальное исследование этого процесса, а тем более и всякую попытку широкого обобщения Получаемых результатов.
Выход в этой ситуации возможен в применении теории подобия, которая, не Требуя полного математического решения, позволяет создавать обоснованные эмпирические обобщения, представляющие собой зависимости между особыми безразмерными характеристиками (критериями подобия) применимые в пределах соблюдения правил моделирования однородных физических явлений/8, 16,32/.
Таким образом, решение оптимизационной задачи сводится к отысканию и анализу функциональной зависимости одной совокупности критериев от другой, что является основой обобщения экспериментальных данных, которые представляются в виде критериальных (безразмерных) уравнений. Преимуществом данного метода является возможность распространения найденной частной эмпирической зависимости на множество других частных случаев.
Экспериментальная установка по исследованию модели камеры сгорания
Учитывая сложность поставленной задачи, исследование характеристик КС проводилось экспериментально и включало в себя определение ОХКС в модельных условиях, определение ОХ натурных КС в стендовых условиях и в составе двигателя. Для решения этих задач была создана установка для испытания модели КС, проведено оснащение ее измерительными системами и приборами. Изготовлеїш приемники давления, температуры, отборники проб продуктов сгорания.
Объектами исследования являлись специально созданная модель трубчатой КС, натурные камеры малоразмерного ГТД и камера в составе двигателя ДГ-4М. Испытания натурных КС проводились на описанных ниже стендах, оснащенных необходимой измерительной техникой. Были использованы стандартная аппаратура и методы /7, 40, 49/.
Измерение расхода газа и воздуха осуществлялось дроссельными расходомерами 3 /39/. Перепад давления на шайбах измерялся водяными манометрами, температура торможения — термопарами группы Х-К с записью на автоматическом потенциометре КСП-4.
В оснащение установки входит система воспламенения в модели КС с помощью свечи 2. На выходе модели КС установлен охлаждаемый пробоотборник 6 для отбора проб продуктов сгорания. Отбор проб производится в пипетки Зегера 7 прокачиванием вакуумным насосом 9 через газосчетчик 8 с последующим их анализом в хроматографической лаборатории /5/.
Для определения температуры газа на выходе КС в момент срыва пламени производится ее непрерывная запись на автоматическом потенциометре КСП-4. Диапазон изменения параметров: Ре =100.„300к11а Рт =ЮО.„200кПа, ТГ =500...1200К (термопара группы Х-А).
Этот стенд создан на основе связки двух работающих параллельно вакуумных насосов ВВН 2-50 с электроприводами мощностью 132 кВт каждый. Бокс стенда разделен на два этажа. На первом размещены вакуумные насосы ВВН 2-50 10,11, вентилятор % задвижки с электроприводом 12,13 для запуска вакуумных насосов и грубой регулировки режима, а также четыре электрических шкафа с необходимой аппаратурой управления и защиты. Стенд позволяет проводить холодные продувки и огневые испытания как моделей, так и блоков камер сгорания (БКС) с расходом воздуха до 1 5 кг/с в изотермических условиях и на подогретом до 523 К чистом воздухе. Для подогрева используется блок, состоящий из трех калориферов типа СФО-100, мощностью 100 кВт каждый. Один из них разделен на три секции по 33,3 кВт. Система управления калориферами позволяет автоматически поддерживать необходимую (заданную с помощью программного механизма) температуру на входе в КС с точностью ± (2.. .5)К в зависимости от режима работы.
Установка задвижки 6 на входе в мерный участок позволяет регулировать давление на входе в КС в диапазоне / =20...100 кПа с целью обеспечения испытания объекта в высотных условиях. Вентилятор 9 позволяет проводить испытайия при давлении і на входе в изделие близком к атмосферноїчу. С целью тонной регулировки режима работы предусмотрена задвижка с электроприводом 3, предназначенная для дополнительного забора воздуха из атмосферы.
Для обеспечения условий эксплуатации ВВН 2-50 при огневых испытаниях на выходе из КС предусмотрена предварительная ступень охлаждения 18 и главная 16. Охлаждение продуктов сгорания до максимально допустимой температуры Г ыхв308К осуществляется путем впрыскивания в газовый тракт водяной завесы.
Мерный участок представляет собой цельнотянутую трубу из нержавеющей стали 12Х18Н10Т внутренним диаметром dy -0,097м и длиной і = 2м.
Полное давление на выходе из мерного участка измеряется с Помощью 9-ти точечной гребенки, замер статического давления осуществляется через 4-х точечный осредняющий коллектор. В этом же сечении замеряется температура воздуха т.
Для определения выходных характеристик КС по чертежам МКБ «Гранит» изготовлен механизм кругового замера Р? и Т т. Замер полей температур газа и давлений выполнен дискретным (32 сечения замера через 1115 ).
Для управления поворотным механизмом, определения положения турели и ограничения пйворота механизма на угол больше, чем 60 в конструкцию внесен дополнительный микропереключатель, а также изготовлен специальный механизм, состоящий из реверсивного счетчика и блока коммутации.
С целью снижения трудоемкости проведения испытаний и получения результатов замер полей температур автоматизирован.
Частные характеристики модели камеры сгорания
Существующие в настоящее время аналитические методы определения основных характеристик камер сгорания не позволяют получить их без значительных допущений при постановке задачи. В связи с этим достоверных результатов при получении характеристик КС можно добиться в основном применением экспериментальных методов. Поэтому, для отработки методики получения ОХКС потребовалось проведение комплексного экспериментального исследования в модельных условиях.
Под модельными исследованиями КС понимается определение параметров т.н. моделей КС, отличающихся от натурных камер значительно меньшими размерами, расходами воздуха и топлива, но позволяющих получить результаты, характер которых имеет общие природу и закономерности для любых КС. В данном исследовании использована модель абстрактной трубчатой КС, не имеющей натурного прототипа. Необходимость проведения модельных исследований обусловлена энергетической и экономической целесообразностью. В условиях первичного исследования ОХКС необходимо получение максимального объема данных об изучаемом объекте, включая предельные режимы - срыва пламени, наибольшей теплонапряженности. Очевидно, что получение такого значительного объема данных на натурной КС не только В составе ГТД, но и при автономных испытаниях потребует или значительных энергозатрат, или вообще будет недостижимо ввиду ограничений по прочности конструкции и возможностям экспериментального оборудования. Использование в этих целях модели КС позволило получить как качественные так и количественные данные по общему виду ОХКС. Кроме этого на модели отрабатывалась методика эксперимента, связанная с осуществлением комплексных измерений параметров режима работы КС. Комплексность одномоментных замеров позволяет осуществить переход от частных характеристик, которым посвящен данный раздел, к обобщающему их виду.
В ходе проведенных экспериментов были получены традиционно используемые частные (однопараметрические) характеристики КС - область устойчивой работы, полноты сгорания топлива, потерь полного давления.
Кроме влияния режимных параметров, таких как расход и давление воздуха, состав ТВС, определялась роль конструктивных параметров модели. Сюда относится влияние конструкции фронтового устройства на характеристики камеры, а также дросселирование выходного сечения, обеспечившее рост давления в камере при одинаковых расходах воздуха.
Не смоТря на то, что характеристики камеры определялись комплексно, рассмотрим каждую в отдельности.
Область устойчивой работы КС является одной из важнейших характеристик КС и двигателя в целом.
Обычно ограничиваются определением границы "бедного" срыва пламени, поскольку рабочие режимы современных КС располагаются вблизи указанной границы. Кроме того, в натурных, а часто и в модельных условиях невозможно достичь границы "богатого" срыва пламени. Однако в проводимых исследованиях необходимо получение максимально возможного объема данных по границам срыва, включая точку перехода "бедной" в "богатую".
В результате проделанной экспериментальной работы получена замкнутая область устойчивого горения, включая режим максимального расхода воздуха через КС (максимальной скорости потока) (рис. 4.1).
Граница "бедного" срыва имеет излом, существование которого можно объяснить различными механизмами горения. На режимах работы КС с малыми скоростями потока может осуществляться гомогенное горение вследствие малого давления топлива на форсунке. Это приводит к смещению границы в область более богатых составов. С увеличением давления топлива, вызванного увеличением расхода рабочего тела через КС осуществляется механизм диффузионного горения, смещая границу срыва в область бедных составов ТБС.
