Анализ характеристик камеры сгорания и эффективности ее работы в составе двигателя

В составе турбореактивного двигателя основная камера сгорания сгорания работает в широком диапазоне изменения расходов воздуха и топлива, температуры и давления потока за компрессором двигателя. Эффективность работы камеры определяется большим количеством характеристик. Наиболее важными из них являются характеристики по полноте сгорания топлива (полнотные характеристики) и срывные характеристики, так как от них зависит топливная экономичность, выбросы загрязняющих веществ (СО и СН) и работаспособность двигателя. Полнотные характеристики камеры сгорания ~ это зависимости коэффициента полноты сгорания топлива rjr от расхода воздуха через камеру GK, его температуры Тк, давления рк и коэффициента избытка воздуха ак. Срывные характеристики — зависимости приведенной скорости воздуха на входе в камеру Хк от величины ак при срыве (прекращении) горения при различных значениях рк и Тк.

Исследованию камер сгорания посвящено большое количество работ. Важным результатом этих исследований является получившее широкое распространение использование параметра форсирования Kv камеры сгорания для обобщения данных по полноте сгорания топлива на основных рабочих режимах двигателя. Однако при этом не учитывается влияние изменения коэффициента избытка воздуха ак, которое может быть весьме значительным. Определение характеристик камер на основе анализа протекающих в них физико-химических процессов с использованием в том числе и математических моделей турбулентных течений высокого уровня является, по-видимому, перспективным, но пока не нашло широкого распространения.

Как правило, полнотные и срывные характеристики камер сгорания в настоящее время определяются экспериментально в ограниченном диапазоне изменения параметров. Поэтому является актуальной разработка полуэмпирических математических моделей, базирующихся на физических представлениях о закономерностях рабочего процесса камер и на анализе и обобщении результатов их экспериментальных исследований. Такие характеристики, несмотря на их приближенность, могут найти применение при расчетах характеристик двигателя в различных условиях эксплуатации.

Наряду с этим недостаточно изучены условия работы камер сгорания в составе двигателей, отличающихся расчетными значениями параметров рабочего процесса и эксплуатационными режимами. Проведение такого анализа для основных типов турбореактивных двигателей представляется актуальным, так как на его основе могут быть получены рекомендации по учету характеристик камер сгорания при расчетах двигателя, более обосновано сформулированы требования к характеристикам камер сгорания с точки зрения обеспечения эффективной работы двигателя, а также требования и рекомендации об условиях экспериментального определения этих характеристик.

Актуальность работы — При разработке турбореактивных двигателей необходимо знать характеристики узлов. Характеристики камеры сгорания определяются экспериментально, так как их рассчитать в настоящее время практически не возможно. Поэтому обобщение экспериментальных характеристик камер сгорания и разработка на этой основе их полуэмпирических математических моделей является актуальной задачей. Применение полученных моделей при расчетах двигателей позволит учесть влияние характеристик камеры на характеристики двигателя.

Актуальной задачей является также анализ эффективности работы камеры сгорания в составе двигателя при различных значениях параметров его рабочего процесса и условий эксплуатации. Результаты такого анализа позволят более обоснованно выбирать параметры камеры сгорания и условия экспериментальной проверки ее характеристик.

Цель работы — разработка методов расчета характеристик камер сгорания для повышения эффективности их работы по экономичности и устойчивости горения в системе двигателя.

Задачи работы.

1. Анализ экспериментальных данных по полнотным и срывным характеристикам типичной современной камеры сгорания.

2. Разработка на этой основе полуэмпирических математических моделей полнотных и срывных характеристик камеры.

3. Анализ влияния параметров камер сгорания на их полнотные и срывные характеристики.

4. Анализ эффективности работы камеры в составе турбореактивных двигателей при различных значениях параметров их рабочего процесса и условий эксплуатации.

Научная новизна —.

1. впервые на основе учета неравномерности полей температур газа в выходном сечении типичной современной камеры сгорания ТРД получены полуэмпирические зависимости, позволяющие определять величину коэффициента полноты сгорания топлива г|г при различных значениях коэффициента избытка воздуха и других определяющих параметрах;

2. впервые разработаны полуэмпирические математические модели полнотных и срывных характеристик камеры сгорания исследованного типа, применимые к камерам сгорания различной размерности вследствие использования в них относительных параметров;

3. впервые проведен анализ полноты сгорания топлива и устойчивости горения в камере для наиболее распространенных типов турбореактивных двигателей при различных режимах их работы.

Достоверность и обоснованность — результатов работы достигается тем, что в основе теоритических предпосылок лежит анализ наиболее важных результатов экспериментальных и теоретических исследований рабочего процесса камер сгорания ТРД. Положенные в основу разработанных математических моделей зависимости базируются на экспериментальных данных, полученных при различных значениях конструктивных характеристик камер и параметров режимов их испытаний. При анализе эффективности работы камеры в составе двигателя применяются широко используемые данные по ! характеристикам компрессоров и программы расчета на ЭВМ характеристик двигателей. 8 с i f.

5 i 4.

Практическое значение работы — состоит в том, что её результаты могут быть использованы при предварительных расчетах полнотных и срывных характеристик камер сгорания исследованного типа, при анализе влияния этих характеристик на параметры рабочего процесса турбореактивных двигателей, а также при разработке методов испытаний камер сгорания и при анализе их характеристик.

Апробация работы — Отдельные результаты работы докладывались на семинаре каф.201 МАИ, а также на следующих конференциях.

1. Доклад на 4-й научно практической конфренции молодых ученых и специалистов «Исследования и перспективыные разработки в авиационной промышленности», 2007 г.

2. Доклад на XIII Всероссийской Межвузовской научно-технический конференции «Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели». Москва, 2008 г.

Автор защищает — полуэмпирические зависимости, позволяющие определять полнотные и срывные характеристики камеры сгорания исследованного типаполуэмпирические математические модели этих характеристикрезультаты расчетного исследования влияния параметров рабочего процесса и эксплуатационных режимов двигателя на характеристики камеры сгорания.

выводы.

1. Впервые на основе учета неравномерности полей температур газа в выходном сечении получены полуэмпирические зависимости, позволяющие определять характеристики камеры сгорания современного типа по полноте сгорания топлива (полнотные характеристики) в зависимости от значений коэффициента избытка воздуха в камере и параметров потока на входе.

2. Для этого же типа камер сгорания получены полуэмпирические зависимости для определения срывных характеристик.

3.На основе полученных данных разработаны полуэмпирические математические модели полнотных и срывных характеристик, в которых используются относительные параметры, не связанные с конкретной размерностью камеры.

4. В результате расчетного анализа установлено, что данные модели адекватно отражают известные из практики исследования камер сгорания закономерности влияния параметров камеры сгорания на её полнотные и срывные характеристики.

5. Впервые выполненный анализ характеристик камеры при работе ее в составе газотурбинного двигателя показал что: а) при дросселировании двигателя, а также при увеличении высоты полета может происходить снижение полноты сгорания топлива и диапазона устойчивого горения в камере, главным образом, вследствие уменьшения значений давления и температуры воздуха за компрессоромб) при увеличении расчетной степени сжатия воздуха в компрессоре лк0 и снижении теплонапряженности камеры сгорания увеличивается полнота сгорания топлива и диапазон устойчивого горения в камере на всех эксплуатационных режимах работы двигателяв частности, при 7tKo ^ 20.25 и при теплонапряженности камеры Qvp < 2000 (кДж/м .час) в условиях Н = 0, Мп = 0 значения г|Г) близкие к 1, могут быть обеспечены на всех режимах работы двигателя от малого газа до взлетного режимав) при «сбросе» оборотов для предотвращения «бедного» срыва горения мгновенные значения ак не должны превышать больше чем в 2,.2,5 раза величины аку, соответствующие установившимся режимамувеличение ак сверх указанных значений практически не будет влиять на переходный процесс двигателяг) при приемистости во всем диапазоне ппр в камере сгорания могут быть обеспечены требуемые подогревы газа и надежная устойчивость процесса горения.