Разработка методических основ газодинамической стабилизации фронта пламени поточных камер сгорания на закрученных высокоэнтальпийных струях

Преобразование химической энергии в тепловую, механическую и другие виды энергии путем сжигания разнообразных топлив является основным направлением в современной энергетике. Поэтому интерес к этой проблеме остается высоким как с точки зрения повышения эффективности различных энергетических и силовых установок, так и с позиций охраны окружающей среды от влияния вредных выбросов. Не менее важное значение эта проблема имеет в газотурбинных двигателях, являющихся основной силовой установкой в авиации, а также при их наземном применении в различных областях промышленности. За последние десять лет существенно повысились экономичность газотурбинного двигателя (ГТД) и их экологические характеристики, определяемые совершенством отдельных узлов и, в частности, камерой сгорания[1−9].

Рабочий процесс камеры сгорания (кроме пульсирующих ГТД) протекает при постоянном давлении, а образование топливовоздушной смеси и её сжигание происходит при движении рабочего тела через объём камеры. Стационарное положение фронта пламени в камере обеспечивается непрерывным поджиганием свежей смеси за счёт теплоты продуктов сгорания (рециркуляция тепла) или за счёт действия стабилизатора пламени другого типа. Организация рабочего процесса камеры сгорания (КС) и её характеристики существенно отличаются от других топливосжигающих устройств, применяемых в технике. Тепловые нагрузки её рабочего объёма достигают уровня 4 -н 6,5 МДэю/[мъ ч Па) [7], тогда как в топках стационарных котельных установок они, как правило, в 100 раз меньше. Таким образом, при разработке камеры важен выбор конструктивных материалов и мер тепловой защиты корпуса камеры и стенок жаровой трубы.

При работе двигателя давление, температура и расход воздуха на входе в КС изменяются в широком диапазоне. При этом процесс горения не должен прекращаться. В связи с этим возникает проблема надёжности стабилизации пламени в камере, обеспечения быстрого и надёжного запуска камеры в случае погасания пламени.

Важными требованиями, предъявляемыми к камерам сгорания ГТД любого класса, являются высокая полнота сгорания, низкий уровень гидравлических потерь, обеспечение заданных профилей параметров потока на выходе камеры.

Основные камеры сгорания двигателя в приемлемой степени удовлетворяют этим требованиям. Применение фронтового устройства и стабилизации пламени за счёт закрутки потока позволяют поддерживать состав горючей смеси в первичной зоне постоянным в широком диапазоне режимов работы. Высокая температура продуктов сгорания и интенсивное перемешивание их с вторичным воздухом обеспечивают завершение процесса горения на выходе из жаровой трубы и высокую равномерность поля температуры. Для современных КС полнота сгорания составляет т]г~0,99на расчётном режиме и может снижаться до г|г=0,95на нерасчётных режимах. Коэффициент гидравлического сопротивления основной камеры может достигать 10 и более (большие значения характерны для авиационных двигателей). Причём основной вклад составляют потери на удар потока в диффузоре и местные потери на преодоление фронтового устройства [7,8].

Значительно менее проработанными являются конструкции камер сгорания промежуточного подогрева газов. Дополнительный подвод тепла к рабочему телу осуществляется в них за счёт сжигания дополнительного топлива, что позволяет значительно повысить мощность газотурбинной установки (ГТУ). Наиболее проработанным видом камеры промежуточного подогрева является форсажная камера сгорания авиационного ГТД, в которой процесс горения протекает при пониженном содержании кислорода.

Требования к однородности поля температуры для форсажных камер не являются определяющими. Значительные трудности представляют обеспечение хорошей полноты сгорания, надёжности запуска и низкого уровня гидравлических потерь. Проблема запуска камеры может быть решена различными способами. Наибольшее распространение получили применение генератора первичного очага пламени (воспламенителя) и система «огневая дорожка». Суть системы «огневая дорожка» состоит в том, что запуск камеры происходит от продуктов сгорания, получаемых за счёт воспламенения форсажного топлива в последней ступени турбины.

Для стабилизации фронта пламени в камерах промежуточного подогрева обычно применяют стабилизаторы пламени в виде плохообтекаемых тел. Такое решение продиктовано в первую очередь простотой конструкции. Однако применение такого типа стабилизации приводит к низкой полноте сгорания (г|г «0,85) и относительно высокому значению коэффициента гидравлических потерь (около 4) [7]. На современном этапе развития указанные значения этих параметров недопустимы.

Первоочередным требованием к проектируемой камере сгорания является обеспечение её устойчивой работы во всём диапазоне режимов двигателя. То, в какой мере камера удовлетворит этому требованию, зависит от условий смесеподготовки, горения и стабилизации пламени [1- 7,10]. Задача обеспечения хорошего смешения топлива с воздухом в настоящее время решена на высоком техническом уровне. Применение того или иного стабилизатора позволяет изменять условия смесеобразования, диапазон устойчивости горения, уровень гидравлических потерь и эмиссию вредных примесей [11 — 20],.

Значительные преимущества дают газодинамические стабилизаторы пламени. Принцип их действия основан на том, что в результате взаимодействия основного потока рабочего тела со струями газа, вдуваемыми в объём жаровой трубы, образуются зоны обратных течений. После запуска камеры высокотемпературные продукты сгорания вовлекаются в зону обратных токов, где смешиваются со свежей горючей смесью, нагревают и воспламеняют её. Газодинамические стабилизаторы обеспечивают высокую интенсивность процессов смешения в камере и позволяют снизить уровень гидравлических потерь. Их дополнительным преимуществом является возможность управления положением и размерами зоны рециркуляции за счёт изменения параметров вдуваемых струй. Для форсажной камеры это означает, что на бесфорсажном режиме стабилизирующие струи могут быть отключены. Тогда гидравлическое сопротивление камеры достигнет минимально возможного значения.

В случае применения газодинамической стабилизации в КС промежуточного подогрева их конструкция может быть существенно упрощена. Это достигается за счёт отказа от устройств воспламенения в том случае, когда температуры стабилизирующих струй будет достаточно для воспламенения горючей смеси.

Видится перспективным проектировать и изгатовливать для генерации стабилизирующих струй вихревые горелки воспламенители по методикам, разработанным в РГАТА [21]. В этом случае стабилизирующая струя будет представлять собой высокэнтальпийный закрученный факел продуктов сгорания. Высокая скорость истечения и закрутка потока интенсифицируют процессы смешения в области вдува и обеспечивают достаточную пробивную способность струи, что позволит создавать зону стабилизации на большом удалении от стенки КС. Достигаемые значения температуры факела составляют величину около 1900 К, что делает возможным использовать стабилизирующую струю в качестве начального очага горения при запуске камеры. Качественная подготовка смеси и реализация в устройстве эффекта вихревого энергоразделения позволяют существенно расширить границы высотного запуска КС. Истечение факела продуктов сгорания происходит со скоростью больше критической, что делает работу горелки — воспламенителя независимой от условий в камере.

Известные способы газодинамической стабилизации пламени используют вдув стабилизирующей струи навстречу основному потоку рабочего тела [8]. В этом случае в зоне горения находятся вспомогательные конструкции, которые подвергаются действию высоких температур. Использование струй с высокой пробивной способностью позволяет разместить генератор струи на стенке камеры и тем самым увеличить ресурс работы.

Принципиальным для разработки газодинамического стабилизатора нового типа является процесс взаимодействия закрученной струи продуктов сгорания с основным потоком в камере. Его оптимизация требует отработки конструкции вихревого воспламенителя применительно к целям стабилизации пламени. Анализ влияния геометрических и режимных параметров вихревого воспламенителя на процесс стабилизации и гидравлическое сопротивление КС.

Обобщая вышеизложенное можно сделать заключение о необходимости углублённого изучения процесса поперечного вдува закрученных высокоэнтальпийных струй в сносящий потокисследования рабочего процесса вихревого горелочного устройства и влияния его режимных и геометрических параметров на характеристики факела продуктов сгоранияисследования влияния режима работы и параметров ВГУ на стабилизацию пламени, гидравлические, пусковые и срывные характеристики прямоточной КС.

Это определяет актуальность темы работы и позволяет сформулировать цель и ряд задач, решение которых обеспечивает её достижение.

Цель работы.

Численно и экспериментально подтвердить возможность газодинамической стабилизации фронта пламени в потоке топливовоздушной смеси при поперечном вдуве системы высокоэнтальпийных закрученных струй продуктов сгорания.

Направление исследований.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач: 1. Изучить процесс поперечного вдува закрученной высокоэнтельпийной струи в сносящий поток.

2. Спроектировать и изготовить вихревые горелки, генерирующие стабилизирующие струи продуктов сгорания.

3. Численно и экспериментально исследовать рабочий процесс вихревой горелки и влияние её режимных и геометрических параметров на характеристики факела продуктов сгорания.

4. Численно исследовать аэродинамику взаимодействия систем высокоэнтальпийных закрученных струй со сносящим потоком и определить наиболее эффективные режимы для проведения физического эксперимента.

5. Экспериментально определить пусковые и срывные характеристики прямоточной камеры сгорания со стабилизацией поперечным вдувом систем высокоэнтальпийных закрученных струй.

6. Экспериментально исследовать влияние режима работы и параметров вихревого воспламенителя на стабилизацию пламени и характеристики прямоточной КС.

Методы исследований.

Для решения поставленных задач использованы: основополагающие закономерности термогазодинамики, физики процессов горения, теории подобия и размерностей, требования к постановке теплофизических опытных исследований, методы численного моделирования турбулентных течений.

Достоверность и обоснованность полученных результатов.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным применением уравнений термогазодинамики, положений теории подобия и размерностей, постановкой экспериментальных исследований с применением метрологически аттестованного оборудования. Подтверждается совпадением расчетных и опытных данных с результатами исследований других авторов.

На защиту выносятся:

— результаты численного и экспериментального исследования рабочего процесса вихревого воспламенителя и влияние режимных и геометрических параметров горелки — воспламенителя на характеристики факела продуктов сгорания;

— результаты численного и экспериментального исследования процесса газодинамической стабилизации поперечным вдувом систем высокоэнтальпийных закрученных струй на модели прямоточной камер сгорания.

Научная новизна.

Теоретически и экспериментально обоснован метод запуска поточной камеры сгорания и стабилизации фронта пламени в ней поперечным вдувом системы высокоэнтальпийных закрученных струй, разработана и изготовлена конструкция вихревой горелки для их реализации, новизна которой подтверждена патентом.

Практическая ценность Практически на модели КС опытном путем доказана возможность запуска и стабилизации фронта пламени на системе поперечно вдуваемых высокоэнталь-пийнных закрученных струях.

Основные выводы.

1. Спроектированы и изготовлены вихревые горелки — воспламенители, генерирующие стабилизирующие струи продуктов сгорания устойчиво работающие при давлениях воздуха на входе от 0,12МПа до 0,2МПа, при этом развиваемая максимальная относительная тепловая мощность факела достигает 3,1 при а~0,8, а минимальная — 0,23 при а~3.

2. Экспериментально подтверждена возможность запуска КС от вдуваемых в сносящий (основной) поток систем стабилизирующих высокоэнталь-пийных струй продуктов сгорания в диапазоне коэффициентов избытка воздуха воспламенителя 0,8 < а < 3,0 со стабилизацией фронта пламени в существенно более широком диапазоне 0,6 < а < 6,0.

3. Экспериментально подтверждено что с точки зрения запуска и стабилизации пламени целесообразна комбинации вдува двух струй продуктов сгорания под углом 135°относительно направления основного потока.

4. Переход от воспламенения и стабилизации на одиночной высокоэнталь-пийныой закрученной струе, поперечно вдуваемой в поток, на систему из двух струй с сохранением расхода вдуваемого газа позволил снизить суммарный потребный импульс вдуваемых струй при сохранении эффектов запуска и стабилизации на 30%, повысить симметричность процесса стабилизации и горения в камерерасширить верхнюю границу срыва пламени по коэффициенту избытка воздуха в 2 раза.

5. При вдуве двух струй в сносящий поток возрастает коэффициент гидравлический потерь на 30%, что является косвенным подтверждением улучшения условий устойчивости процесса за счет заметного расширения стабилизационной области примерно вдвое.

6. Переход на стабилизацию и запуск КС системой из двух струй, в два раза повышает надежность системы ив 1.5 — 2 раза снижает потребный перепад давления на входе в стабилизирующее вихревое горелочное устройство.