Королев, А.Н.

Меркушин, В.К.

Мингазов, Б.Г.

Низамутдинов, Р.М.

Стародубцев, В.В.

Russian

Samara University

178УДК 621.3.002.3ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВТОРИЧНОГО ВОЗДУХА ПО ДЛИНЕ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ НА ОСНОВЕ РАСЧЁТА ПО ФИЗИКО -  - МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭВММингазов Б.Г., Королёв А.Н., Меркушин В.К., Стародубцев В.В., Низамутдинов P.M.Казанский государственный технический университет,ОАО Конструкторско-производственное предприятие "Авиамотор",г. КазаньРазвитие газотурбинных двигателей (ГТД) на современном этапе опреде­ляю т требования надёжности, экологии и экономичности их работы, которые, в свою очередь, в значительной степени зависят от соверш енства конструкции и организации рабочего процесса в камере сгорания (КС) ГТД.Рациональность конструкции К С  обусловливается тем, насколько в ней правильно организовано устойчивое и высокоэффективное сжигание топлива, при минимальных потерях полного давления, равномерном температурном поле выходящ их из камеры продуктов сгорания, при обеспечении высокой надёжно­сти и долговечности работы ГТД.У слож нение конструкции К С  и повыш ение стоимости экспериментальных исследований вынуждаю т всё больш ее внимание уделять моделированию про­цессов горения и внедрению элементов автоматизированного проектирования КС. В настоящ ее время имеется ряд работ [1,2,3,4], посвящ ённых внутрикамер- ным процессам, но они касаются только отдельных их аспектов и не позволяют установить, в полной мере, связь меж ду входными и выходными параметрами непосредственно с конструктивными элементами КС.Цель данного исследования заклю чалась в нахождении оптимальной конст­рукции ж аровой трубы КС, позволивш ей бы снизить эмиссию  окислов азота и улучш ить поля температур на выходе из КС, не ухудш ая, при этом, надёжности камеры. Работа велась на основе рекомендаций, полученных при помощи ЭВМ на основе физико-математической модели (Ф М М ) и программы автоматизиро­ванной доводки камер сгорания [5].С огласно исследованиям [5], для того чтобы понизить значение выбросов окислов азота, необходимо обеспечить такой процесс выгорания топлива, при котором распределение температуры  по длине ж аровой трубы  будет иметь об­ласть высоких температур малой протяжённости, причём, время пребывания продуктов сгорания в ней должно быть минимальным.179Требуемое распределение температур можно получить путём организации подвода вторичного воздуха в жаровую трубу через пояса охлаждающих отвер­стий оптимальной суммарной площади. При этом следует учитывать, что чрез­мерное обеднение топливовоздушной смеси и охлаждение первичной зоны ведёт к понижению полноты сгорания, а, следовательно, к повышению выброса угар­ного газа (СО) и уровня дымности (СхНу).В соответствии с данными исследовательской работы [5], рабочий процесс в камере сгорания двигателя НК-16-18СТ, топливом для которого служит при­родный газ, обеспечивает достаточно низкий уровень выброса NOx при значени­ях коэффициента избытка воздуха в зоне горения порядка а ~ 1,2. ..1,1 При этом значение полноты сгорания топлива должно находиться в диапазоне порядка ц ~ 0,98...0,995, тогда содержание угарного газа (СО) и несгоревших углеводородов (СхНу) в продуктах сгорания не превысит 40 г/кг топл.Экспериментальные исследования проводились на ОАО КПП "Авиамотор", с привлечением его материально технической базы при совместной работе спе­циалистов данного предприятия и КГТУ им. А.Н.Туполева.Объектом исследования стал отсек КС, представляющий собой сегмент ре­альной кольцевой камеры сгорания двигателя НК-16-18СТ (1/14 часть). Конст­рукция отсека предусматривает возможность быстрого демонтажа и смены внешнего и внутреннего кожухов жаровой трубы, а также блока фронтовых уст­ройств в виде головки с коллекторами подвода топлива к девяти форсункам цен­тробежного типа с завихрителями (пять -  во внешнем ряду, четыре — во внут­реннем). Во время испытаний топливо подавалось в четыре форсунки внешнего ряда и в три -  внутреннего, так как две форсунки были заглушены. В качестве топлива использовался бытовой газ пропан-бутан.В ходе испытаний исследовались три варианта конструкции жаровой части КС, причём, применение программы автоматизированной доводки камер сгора­ния [5] позволило значительно сократить временные и материальные затраты, а также уменьшить объём эксперимента, сузив направленный поиск до небольшо­го количества качественно поставленных опытов.Первый вариант жаровой части КС, ставший базовым (исходным), полно­стью соответствовал конструкции серийной камеры сгорания двигателя НК-16- 18СТ (см. рис. 1). Значения характерных параметров, снятые при испытании дан­ного варианта, стали исходной, отправной, точкой для анализа результатов, по­лученных в ходе дальнейшей работы (см. рис.4, 5, вариант1).Вторая конструктивная схема представлена на рис. 2. Здесь было осуществ­лено перераспределение расходов вторичного воздуха через пояса охлаждения в жаровой трубе. Этого удалось достичь путём ликвидации карманов подвода вто­ричного воздуха в зоне смешения (см. рис. 1) и перераспределением адекватной им суммарной площади по двум поясам охлаждающих отверстий в промежуточ­180ной зоне и в зоне смешения. Блок фронтовых устройств был взят с исходного варианта конструкции неизменённым. Результаты полученных измерений пред­ставлены на рис.4, 5 (вариант 2).КожухвнешнийКорпусвнешнийКарманыКожухвнутреннийФорсункистандартныеБлокфронтовыхустройствРис.1 Вариант 1 (базовый) -  стандартная КС двигателя НК-16-18СТ.В третьей конструктив­ной схеме, к изменениям в жаровой части (кожуха жаро­вой трубы) были добавлены изменения в блоке фронто­вых устройств, а именно, вместо стандартных форсу­нок с завихрителями, приме­няемых в камере сгорания двигателя НК-16-18СТ вто­рой серии, были установлены модифицированные форсун­ки с дополнительным элементом -  карбюраторной трубкой, а в каналы подачи топливного газа форсунок были вставлены шнековые завихрители (см. рис. 3). Результаты полученных измерений представлены на рис.4, 5 (вариант 3).Предполагалось, что постановка данного элемента позволит повысить каче­ство приготовления топливовоздушной смеси, сделать её более однородной. Ранее проводимые эксперименты с форсунками такого типа показали, что в ре­зультате присутствия карбюраторной трубки, гомогенная однородная топливо­воздушная смесь сгорает практически мгновенно и в полном объёме, позволяя значительно сократить протяжённость области высоких температур, тем самым исключая длительное догорание и локальные (очаговые) зоны повышеннойРис.2. КС с модифицированной жаровой трубой.температуры, которые являются источниками образования NOx, не снижая, при этом, полноты сгорания топливо - воздушной смеси.КарбюраторнаятрубкаШнековыйзавихрительРис.З Схема модифицированной форсункиЭмиссия окислов азота для 3-х вариантов отсеков2422S  2 0  id £> 18 хUSсзНОсоCSmОс;о£*о£оо£2О Ж2 3 4 5 7 8 96Коэффициент избытка воздуха ♦  1-й в а р и а н т  - - в  - -2 -й  вари ан т А  — 3-й в ар и ан тРис. 4. Эмиссия окислов азота в зависимости от коэффициента расхода воздуха182Анализируя полученные результаты, отметим, что прогнозируемое уменьшение выбросов окислов азота, при перераспределении вторично­го воздуха, в ходе эксперимента подтвердилось полностью. Из графиков на рисунке 4 видно, что эмиссия окислов азота исследуемых вариантов отсеков 2 и 3 понизилась по сравнению с исходным (вариант 1) практи­чески в 2 раза, причём, в варианте отсека 2 это произошло при неизмен­ных, по отношению к исходному варианту, значениях коэффициентах расхода воздуха и температуры на выходе из КС.Испытания отсека варианта 3 показали, что постановка форсунок с карбюраторными трубками (см. рис.З), ведёт к значительному смеще­нию фронта пламени в сторону промежуточной зоны жаровой трубы, что отрицательно сказывается на радиальной эпюре температур на вы­ходе из КС. Предположительно, такой процесс сгорания топливо­воздушной смеси может объясняться тем, что в карбюраторной трубке происходит преобразование радиальной и окружной составляющих ско­рости движения смеси в осевую, что приводит к увеличению пробивной способности струи и смещению зоны рециркуляции.Из графика на рис. 5 видно, что, несмотря на перераспределение не­которого количества воздуха из зоны смешения в промежуточную зону, радиальная эпюра температур не ухудшилась.Г рафик радиальной эпю ры  температур1,510 ,50бо 2 3 4 5Н о м е р  т е р м о п а р ыj  •  Вариант J - - *  - - Вариант 2  А — Вариант 3 \Рис. 5. График радиальной эпюры температур, снятый на режиме максимальных значений температуры на выходе из КС183В настоящее время планируются дальнейшие работы по оптимиза­ции полей температур на выходе из КС, которые станут продолжением данного исследования.СП И С О К  Л И Т ЕРА ТУ РЫ1. М и х а й л о в  А.И., Г о р б у н о в  Г.М. и др. Рабочий процесс и расчёт камеры сгорания газотурбинных двигателей. -М.: Оборонгиз., 1959, -285 с.2. J1 е ф е в р А. Процессы в камерах сгорания газотурбинных двигателей / Пер. с англ. -М.: Мир, 1986, -566 с.3. Образование и разложение загрязняющих веществ в пламени / Пер. с англ.; Под ред. Ч и г и р Н.А. -М.: Машиностроение, 1981, -407 с.4. Я н к о в с к и й  В.М., Ш а л а е в  Г.М., С ы ч е н к о в  В.А.. Основы автомати­зированного проектирования камер сгорания газотурбинных двигателей / Учеб. по­собие. -Казань.: КАИ, 1989, -80 с.5. Т у н а к о в  А.П. Методы оптимизации при доводке и проектировании газотур­бинных двигателей-М .: Машиностроение, 1979, -181 с.6. Х р и с т и ч  В.А., Т у м а н о в с к и й  А.С. Газотурбинные двигатели и защита окружающей среды -Киев.: Техника, 1983, -144 с.

Экспериментальное исследование и анализ перераспределения вторичного воздуха по длине камеры сгорания на основе расчёта по физико-математической модели с использованием ЭВМ

http://repo.ssau.ru/bitstream/Vestnik-SGAU-Processy-goreniya/Eksperimentalnoe-issledovanie-i-analiz-pereraspredeleniya-vtorichnogo-vozduha-po-dline-kamery-sgoraniya-na-osnove-rascheta-po-fizikomatematicheskoi-modeli-s-ispolzovaniem-EVM-65608/1/pg_2000_23.pdf

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Samara University