ГОЛОВКА КОЛЬЦЕВОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
GAS TURBINE ENGINE ANNULAR COMBUSTION CHAMBER HEAD

Изобретение относится к области авиационного, аэрокосмического и космического двигателестроения, к созданию газотурбинных двигателей (ГТД), работающих на жидких углеводородных горючих и охладителях.
Известны головки кольцевой камеры сгорания ГТД, содержащие наружный и внутренний корпуса, лобовую стенку (фронтальную плиту), соединенную с наружным и внутренним кожухами, и большое число малорасходных форсунок с внутренним смешением топлива с воздухом [2, 3, 8, 9]. Однако эти головки являются довольно сложными из-за систем топливоподачи и охлаждения.
Авторы [1] предложили несколько другую головку кольцевой камеры сгорания ГТД, с целью упрощения системы топливоподачи в лобовой стенке выполнены две концентрично расположенные и изолированные одна от другой полости для топлива (топливные коллекторы), защищенные экранами, от которых оно (топливо) по радиальным каналам поступает соответственно к основным и пусковым форсункам. Данную головку кольцевой камеры сгорания ГТД можно принять за прототип.
Одним из недостатков данной головки [1] является малый ресурс работы из-за процесса осадкообразования. Процесс осадкообразования в энергоустановках многоразового использования (ЭУМИ) - в ГТД, в воздушно-реактивных двигателях (ВРД), в жидкостных ракетных двигателях (ЖРД) и др. - на жидких углеводородных горючих и охладителях является очень сложным и опасным явлением (как в земных, так и в космических условиях), с которым необходимо бороться уже на начальной стадии проектирования и создания новых ЭУМИ [4, 5, 10-15, 16-21].
Частичное закоксовывание форсунок приводит к частичной потере тяги, к нерасчетному струйному распылу горючего, к прогару жаровой трубы, к возникновению пожара и взрыва ЭУМИ и всего летательного аппарата (ЛА), космического ЛА (КЛА) или техносистемы. Полное закоксовывание - к обнулению тяги, к образованию течи горючего, к возникновению пожара и взрыва. То же самое происходит в топливоподводящих и охлаждающих каналах, в том числе и в топливных коллекторах, и радиальных подводящих каналах ГТД. Слой твердого углеродистого осадка (например, в рубашке охлаждения ЖРД) может неожиданно и несанкционированно вызвать резкое и быстрое увеличение температуры греющей стенки с ее дальнейшим прогаром, возникновением пожара и взрыва. Осадкообразование является виновником быстрой коррозии деталей топливно-охлаждающей аппаратуры. Из-за осадкообразования значительно быстрее происходит забивка и выход из строя топливных фильтров. Кроме того, процесс осадкообразования способствует заеданию и заклиниванию подвижных деталей системы регулирования ЭУМИ и управления ЛА, КЛА, что приводит к неуправляемости, к разносу ЭУМИ и др. негативным последствиям.
Другими словами, осадкообразование значительно сокращает и снижает ресурс, надежность, безопасность и эффективность ЭУМИ (ГТД, ВРД, ЖРД и др. ЭУМИ). Поэтому борьбу с осадкообразованием необходимо организовывать заранее на всех этапах: при проектировании, создании и эксплуатации ЭУМИ. Различные химические присадки, вводимые в топливо на нефтеперерабатывающих заводах, предотвращают осадок, но только до температуры стенки или топлива 473К. Промывка ГТД специальными агрессивными моющими средствами является неэффективной, экономически невыгодной (что связано с простоем самолета, с утилизацией агрессивных жидкостей, с демонтажем ГТД и отправкой его на ремонтный завод, где производится механическая очистка деталей (после которой, чаще всего, производится замена на новые), выжигание осадка в пламени метана с частыми короблениями и прожогами металла с дальнейшей вынужденной заменой детали на новую и т.д.). Значительно выгоднее предотвратить или ограничить осадкообразование, чем вести запоздалую очистку, связанную с различными рисками и проблемами [4, 5, 10-15, 16-21].
При температуре 313К жидкие углеводородные горючие и охладители становятся электропроводными средами, а при 373К в них появляются диполи, которые являются активными участниками осадкообразования. Открывается возможность управления заряженными частицами и диполями при помощи электростатических полей (электрическим ветром), что подтверждено экспериментально [11].
Авторами [6, 7] обобщены и разработаны новые различные искусственные интенсификаторы теплоотдачи в виде полусферических лунок, различных выпуклостей (П-образного типа, полусферического типа, оребренного типа и др.), которые хорошо зарекомендовали себя в каналах с водой и водными растворами. Однако экспериментально установлено [10-15], что в нагреваемых каналах с жидкими углеводородными горючими (охладителями) через определенное время и число циклов работы ГТД - все выше перечиленные интенсификаторы теплоотдачи в углублениях полностью покрываются твердым углеродистым осадком и перестают выполнять свои функции по турбулизации пограничного слоя.
При определенных термодинамических условиях в каналах топливоподачи и охлаждения ГТД, ВРД, ЖРД и др. ЭУМИ могут возникать (как в земных, так и в космических условиях) термоакустические автоколебания (ТААК) давления [10], которые несут позитивные и негативные явления: а) позитивные: увеличение теплоотдачи на 40%; цикличный (повторяющийся) процесс откалывания слоя твердого углеродистого осадка (очистка канала); б) негативные: возникновение в канале стоячей акустической волны, из-за чего возникают чередующиеся зоны перегрева и даже прогара стенок канала с дальнейшим пожаром и взрывом; разрушение стенок канала, соединительных и переходных устройств (в том числе и сварных) и др. Выгоднее вести борьбу с ТААК давления уже на начальной стадии проектирования, а также при создании и эксплуатации ЭУМИ. Одним из эффективных способов борьбы с негативными процессами при ТААК давления является использование электростатических полей, которые подавляют и разрушают паровые пузыри и тепловые свили (при докритических давлениях) и псевдопузыри и псевдосвили (при критических и сверхкритических давлениях) - источники и участники ТААК давления [11].
Экспериментально установлено [10-15], что:
- создание и поддержание в топливных коллекторах и каналах области критических давлений (например, для ТС-1 р=(1,6-2,2) МПа) при различных нагревах (особенно в области около начала псевдокипения) будет способствовать интенсификации теплоотдачи к жидкому углеводородному горючему в 2-3 раза за счет особенностей коэффициента теплофизических свойств (ТФС) «В» (способ затормаживания осадкообразования, т.к. до температуры 373К осадок не образуется, поэтому охлаждение стенок каналов и самого горючего - это важная задача по борьбе с этим негативным процессом);
- искусственная шероховатость (искусственные интенсификаторы теплоотдачи) в виде конической поверхности (конической резьбы, конических (продольных, наклонных, поперечных) накаток) с высотой зубьев 2-5 мм ограничивает рост твердого углеродистого осадка на высоту зубьев и может быть использована как способ борьбы с осадкообразованием (способ ограничения роста осадка);
- электростатические поля способны: предотвращать возникновение осадка в зоне прохождения силовых линий при постоянном подключении электростатического напряжения и без смены полярностей (способ предотвращения осадка); интенсифицировать теплоотдачу к жидким углеводородным горючим и охладителям до 650% (способ затормаживания осадкообразования из-за интенсивного охлаждения стенок каналов и самого горючего, а кроме того, открывается возможность эффективного охлаждения новых ЭУМИ с более энергоемкими и теплотворными горючими, что позволит увеличивать скорость и дальность полета ЛА, КЛА и др.); гасить возможное зарождение ТААК давления и предотвращать возникновение чередующихся зон перегревов с возможным прогаром и взрывом ГТД, ЭУМИ, всего ЛА, КЛА, наземной установки; производить полную предтопливную подготовку (смешение, гомогенизацию и ионизацию топлива), что значительно повышает качество распыла, полноту и экологичность сгорания; производить гидроподачу топлива к форсункам (и в систему охлаждения ЭУМИ) при выходе из строя основных и вспомогательных систем топливоподачи и охлаждения наземных, аэрокосмических и космических ГТД и др. ЭУМИ; применять одновременно сразу два и более типов и видов жидких углеводородных горючих; повышать эффективность, безопасность, безаварийность, живучесть, универсальность, экономичность и экологичность перспективных ЭУМИ (ГТД, ВРД, ЖРД и др.).
Предложена головка кольцевой камеры сгорания ГТД, содержащая наружный и внутренний корпуса, лобовую стенку, соединенную с наружным и внутренним кожухами, и большое число малорасходных форсунок с внутренним смешением топлива с воздухом, где в лобовой стенке выполнены две концентрично расположенные и изолированные одна от другой полости для топлива (топливные коллекторы), защищенные экранами, от которых оно (топливо) по радиальным каналам поступает соответственно к основным и пусковым форсункам, отличающаяся тем, что:
1) в топливных коллекторах и каналах ГТД поддерживается область критических давлений;
2) внутренние стенки наружного и внутреннего топливных коллекторов, радиальных топливных каналов к форсункам, топливного канала подачи топлива в полость внутреннего топливного коллектора выполнены с искусственной шероховатостью в виде конической (оребренной) поверхности с высотой зубьев 2-5 мм;
3) внутри топливных коллекторов и каналов соосно и попарно размещены и закреплены через штуцера с гидроэлектроизоляцией рабочие иглы с электростатическими полями.
Предлагаемая головка кольцевой камеры сгорания ГТД позволяет:
- ограничить рост твердого углеродистого осадка в топливных коллекторах и каналах на высоту зубьев конической (оребренной) поверхности и увеличить работоспособность, ресурс, живучесть, безопасность, безаварийность и надежность топливной системы и ГТД в целом;
- предотвратить осадкообразование на внутренних стенках топливных коллекторов и каналов за счет влияния электростатических полей, что значительно увеличивает работоспособность, ресурс, безопасность, безаварийность, надежность, экономичность и экологичность ГТД;
- интенсифицировать теплоотдачу к жидким углеводородным горючим в 2-3 раза - за счет влияния коэффициента ТФС «В» в области критических давлений (т.е. практически без особых затрат), что будет способствовать дополнительному внутреннему охлаждению топливных коллекторов и каналов и затормаживанию (замедлению) процесса осадкообразования, а также возможности использования горючих с большей энергетикой и теплотворной способностью при сжигании с обеспечением надежного охлаждения топливно-охлаждающх трактов, что увеличит скорость и дальность полета ЛА, КЛА; область критических давлений возможно создавать и поддерживать насосной гидравлической топливной аппаратурой совместно с датчиками давления на входе и выходе топливной (или охлаждающей) системы;
- применением электростатических полей дополнительно: а) интенсифицировать теплоотдачу к жидким углеводородным горючим до 650% - за счет влияния электрического ветра, что открывает возможность более эффективного охлаждения ЭУМИ и возможность надежного применения новых топлив с большей энергетикой; б) вести полную предтопливную подготовку жидкого углеводородного горючего (смешение, гомогенизацию, ионизацию), что значительно повысит качество распыла, качество горения, полноту сгорания, экологичность продуктов сгорания, эффективность и экономичность ГТД; в) использовать одновременно сразу два и более видов и типов жидких углеводородных горючих, что расширяет эксплуатационные возможности ГТД, живучесть, универсальность, безопасность и экономичность ГТД как наземного, так и воздушного, аэрокосмического и космического базирования; г) обеспечивать гашение возможного процесса возникновения ТААК давления в топливных коллекторах и каналах, что повысит безопасность и надежность ГТД, ЭУМИ, ЛА, КЛА; д) обеспечивать гидравлический подвод топлива к системе охлаждения (например, в жидкостном ракетном двигателе (ЖРД)), к форсункам ГТД, ВРД, ЖРД, ЭУМИ (при необходимости), например, при выходе из строя основных и вспомогательных гидравлических насосов, что очень важно особенно для ГТД наземного применения (при добыче тяжелых нефтей, в стационарной и подвижной энергетике и т.д.), а также для ВРД, ЖРД и др. ЭУМИ - в условиях аэрокосмического и космического полета, что значительно повысит надежность, безопасность и безаварийность ГТД, др. ЭУМИ, ЛА, КЛА; е) вести эффективную борьбу с коррозией (исключить влияние твердого углеродистого осадка на возникновение коррозии путем борьбы с возникновением осадка электростатическими полями), что значительно повысит ресурс, долговечность, надежность, безопасность и эффективность ГТД, ВРД, ЖРД, ЭУМИ, ЛА, КЛА.
На фиг.1 показан фрагмент (в разрезе «А-А») штатной головки кольцевой камеры сгорания ГТД (со стороны поступления горячего воздуха от компрессора) авторов [1], где: 1 - полость наружного кольцевого топливного коллектора (стрелками указано направление движения жидкого углеводородного горючего в коллекторе); 2 - канал подвода топлива от наружного кольцевого топливного коллектора к форсунке внутреннего ряда (в левой части плиты); 3 - канал подвода топлива от наружного кольцевого топливного коллектора к форсунке наружного ряда (в левой части плиты); 4 - канал подвода топлива в полость наружного кольцевого топливного коллектора; 5 - трубка подвода топлива в канал для обеспечения топливом внутреннего кольцевого топливного коллектора; 6 - канал подвода топлива от наружного кольцевого топливного коллектора к форсунке внутреннего ряда (в правой части плиты); 7 - канал подвода топлива от наружного кольцевого топливного коллектора к форсунке наружного ряда (в правой части плиты); 8 - полость внутреннего кольцевого топливного коллектора (стрелками указано направление движения жидкого углеводородного горючего в коллекторе); 9 - канал подвода топлива от внутреннего кольцевого топливного коллектора к форсунке наружного ряда (в правой части плиты); 10 - канал подвода топлива к внутреннему кольцевому топливному коллектору (стрелками указано направление движения жидкого углеводородного горючего в канале); 11 - канал подвода топлива от внутреннего кольцевого топливного коллектора к форсунке наружного ряда (в левой части плиты); 12 - плита (лобовая стенка, фронтальная плита); 13 - гнездо установки и крепления форсунки; 14 - сквозные фигурные окна в плите для подвода воздуха к форсунке.
На фиг.2 схематично показано размещение рабочих соосных игл с электростатическими полями в топливных коллекторах и каналах ГТД, где:
- в наружном кольцевом коллекторе 1 (в левой части): 17, 23 - отдающие осевые рабочие соосные иглы; 18 - принимающая осевая рабочая соосная игла; 20 - отдающая осевая пристенная (у верхней стенки) рабочая соосная игла; 16, 22 - принимающие осевые пристенные (у верхней стенки) рабочие соосные иглы; 19 - отдающая осевая пристенная (у нижней стенки) рабочая соосная игла; 15, 21 - принимающие осевые пристенные (у нижней стенки) рабочие соосные иглы;
- в наружном кольцевом коллекторе 1 (в правой части): 24, 31 - отдающие осевые рабочие соосные иглы; 29 - принимающая осевая рабочая соосная игла; 27 - отдающая осевая пристенная (у верхней стенки) рабочая соосная игла; 25, 32 - принимающие осевые пристенные (у верхней стенки) рабочие соосные иглы; 28 - отдающая осевая пристенная (у нижней стенки) рабочая соосная игла; 26, 33 - принимающие осевые пристенные (у нижней стенки) рабочие соосные иглы;
- в канале 10 подвода топлива к внутреннему кольцевому топливному коллектору: 42 - отдающая наклонная (вплотную к левой стенке) рабочая соосная игла; 41
- принимающая наклонная (вплотную к правой стенке) рабочая соосная игла; другие подобные пары соосных рабочих игл показаны, но не пронумерованы;
- во внутреннем кольцевом коллекторе 8 (в левой части): 43 - отдающая наклонная (вплотную к нижней стенке) рабочая соосная игла; 44 - принимающая наклонная (вплотную к верхней стенке) рабочая соосная игла; другие подобные пары соосных рабочих игл показаны, но не пронумерованы;
- во внутреннем кольцевом коллекторе 8 (в правой части): 40 - отдающая наклонная (вплотную к нижней стенке) рабочая соосная игла; 39 - принимающая наклонная (вплотную к верхней стенке) рабочая соосная игла; другие подобные пары соосных рабочих игл показаны, но не пронумерованы;
- канал 11 подвода топлива от внутреннего кольцевого топливного коллектора 8 к форсунке наружного ряда: 45, 47 - отдающие осевые рабочие соосные иглы; 46, 48 - принимающие осевые рабочие соосные иглы; другие подобные пары соосных рабочих игл в таких же каналах показаны, но не пронумерованы;
- канал 6 подвода топлива от внешнего кольцевого топливного коллектора 1 к форсунке внутреннего ряда: 30, 37 - отдающие осевые рабочие соосные иглы; 36, 38
- принимающие осевые рабочие соосные иглы; другие подобные пары соосных рабочих игл в таких же каналах показаны, но не пронумерованы;
- канал 7 подвода топлива от внешнего кольцевого топливного коллектора 1 к форсунке наружного ряда: 34 - отдающая осевая рабочая соосная игла; 35 - принимающая осевая рабочая соосная игла; другие подобные пары соосных рабочих игл в таких же каналах показаны, но не пронумерованы.
На фиг.3 (для примера) показан канал 2 подвода топлива от наружного кольцевого топливного коллектора 1 к форсунке внутреннего ряда (в левой части плиты), внутренние стенки которого выполнены в виде оребренной поверхности (конической, винтовой резьбы с высотой зубьев 2-5 мм).
На фиг.4 (для примера) показаны топливные коллекторы 1, 8 и подающий канал 10, у которых внутренние стенки выполнены в виде оребренной поверхности с высотой зубьев 2-5 мм: у подающего канала 10 - в виде (конической, винтовой) резьбы; у топливных коллекторов 1, 8 - в виде параллельных конусных канавок и выпуклостей.
На фиг.5 (для примера) показано расположение симметричных силовых линий электростатических полей в канале 7 подвода топлива от наружного кольцевого топливного коллектора 1 к форсунке наружного ряда (в правой части плиты), где 34 - отдающая соосная рабочая игла, 35 - принимающая соосная рабочая игла, 50, 52, 53 - внутренние силовые линии электростатического поля, причем 50 - центральная (осевая) силовая линия электростатического поля; 49 - наружная (граничная) силовая линия электростатического поля, которая в большом объеме жидкого углеводородного горючего сформировалась бы как линия 51, но в ограниченном объеме (как, например, в канале 7) эта линия 51 будет вынуждена проходить вдоль внутренней стенки канала 7. Отдающая игла 34 направлена по потоку жидкого углеводородного горючего.
На фиг.6 (для примера) показано расположение симметричных силовых линий электростатических полей во внутреннем топливном коллекторе 8 (в правой части), где: пара соосных рабочих наклонных игл 40, 39 формируют внутренние силовые линии 55, 56, 57 и наружную (граничную) линию 54 (со стороны отдающей иглы 40) и ее продолжение 58 (со стороны принимающей иглы 39) (54 и 58 - это одна внешняя силовая линия, которая вынуждена проходить по внутренним стенкам коллектора 8); пара соосных рабочих наклонных игл 64, 63 формируют внутренние силовые линии 59, 60, 61 и наружную (граничную) линию 65 (со стороны отдающей иглы 64) и ее продолжение 62 (со стороны принимающей иглы 63) (62 и 65 - это одна внешняя силовая линия, которая вынуждена проходить по внутренним стенкам коллектора 8); отдающие иглы 40, 64 направлены в сторону потока жидкого углеводородного горючего. Подобное расположение силовых линий будет формироваться и в топливоподающей трубке 10.
На фиг.7 (для примера) показано расположение силовых линий электростатических полей в наружном кольцевом топливном коллекторе 1 (см. фиг.1, в правой части), где: осевая (центральная) пара соосных рабочих игл 24, 29 формируют внутренние силовые линии 87, 68 (остальные внутренние силовые линии не показаны) (линия 87 является центральной) и наружную (граничную) линию 67 (со стороны иглы 24) и 70 (со стороны иглы 29); осевая (центральная) пара соосных рабочих игл 31, 78 формируют внутренние силовые линии 82, 75 (остальные внутренние силовые линии не показаны) (линия 82 является центральной) и наружную (граничную) линию 73 (со стороны иглы 31) и 77 (со стороны иглы 78); пространство между наружными силовыми линиями 70 и 73 перекрывают силовые линии от двух пар пристенных соосных рабочих игл 27, 32 и 28, 33; пристенные соосные рабочие иглы (у верхней стенки коллектора) 27, 32 образуют внутренние силовые линии 72, 71 (остальные не показаны) и наружную силовую линию 69 (со стороны отдающей иглы 27) и 74 (со стороны иглы 32); пристенные соосные рабочие иглы (у нижней стенки коллектора) 28, 33 образуют внутренние силовые линии 85, 84 (остальные не показаны) и наружную силовую линию 86 (со стороны отдающей иглы 28) и 83 (со стороны принимающей иглы 33); пристенные принимающие иглы 25 и 26 играют такую же роль, что и принимающие пристенные иглы 32 и 33, и поскольку они вошли в поле общей фигуры, то дополнительно показаны и внешние силовые линии этих игл: внешняя силовая линия от иглы 25 - это линия 88, внешняя силовая линия от иглы 26 - это линия 66; соосные пристенные отдающие рабочие иглы 76 и 81 - также оказались в поле данной фигуры (справа), где показаны их внешние силовые линии: игла 76 - создает внешнюю силовую линию 79, а игла 81 - линию 80; все центральные (например, 24, 31) и пристенные (например, 27, 28, 76, 81) отдающие рабочие соосные иглы расположены и направлены по потоку жидкого углеводородного горючего, а все принимающие (например, центральные - 29, 78; пристенные - 25, 26, 32, 33) - расположены навстречу потоку.
Рассмотрим работу предлагаемой головки кольцевой камеры сгорания в статике (т.е. до начала запуска ГТД) без электростатических полей (например, см. фиг.3, 4). До начала пуска ГТД все топливно-подводящие каналы будут находиться без топлива, т.е. заполнены окружающим воздухом. Внутренние стенки каналов, включая углубления искусственных интенсификаторов теплоотдачи, будут чистыми (т.е. без слоя твердого углеродистого осадка). Температура стенок каналов будет равна температуре окружающей среды в данное время. Давление воздушной среды в каналах будет равно атмосферному. В условиях космоса - в каналах не будет ни воздуха, ни давления.
Рассмотрим работу предлагаемой головки кольцевой камеры сгорания в динамике (при запуске и работе ГТД) без электростатических полей. При запуске ГТД жидкое углеводородное горючее (охладитель) заполнит все топливно-подающие каналы, будут возникать условия естественной и вынужденной конвекции. При работе ГТД внутренние стенки топливных коллекторов и каналов будут нагреваться, начнется процесс осадкообразования. Создание и поддержание области критических давлений будет способствовать формированию улучшенного режима теплоотдачи, внутреннему охлаждению самого топлива и внутренних стенок топливных коллекторов и подающих каналов, обеспечивая торможение негативного процесса осадкообразования, а при достижении температуры менее 373К - вообще его исключения. Результаты экспериментальных исследований влияния области критических давлений на интенсификацию теплоотдачи к жидким углеводородным горючим и охладителям при их естественной и вынужденной конвекции за счет ТФС, а также методики расчетов очень хорошо, доступно и наглядно показаны на рисунках, графиках и фотографиях в [10] на стр.130-142, 144-185, 199-204, 209-220, на рис.3.1-3.12, 3.14-3.61, 3.81-3.83. Но в ходе эксплуатации ГТД (ВРД, ЖРД и др. ЭУМИ) осадок будет появляться и расти. Результаты экспериментальных исследований возникновения и роста твердого углеродистого осадка в различных ЭУМИ на жидких углеводородных горючих и охладителях (при их естественной и вынужденной конвекции), а также методики расчетов всесторонне показаны в [4, 5, 10, 12-21]. Для жидких углеводородных горючих и охладителей марки ТС-1, РГ-1 новые результаты исследований и методики расчетов осадкообразования доступно и хорошо показаны в [10] на стр.143, 195-199, 205-209, 229-232, на рис.3.13, 3.76-3.80. Оребренная поверхность внутренних стенок топливных коллекторов и каналов (см. фиг.3, 4) на начальном периоде эксплуатации ГТД (ВРД, ЖРД и др. ЭУМИ) будет также повышать теплоотдачу за счет турбулизации и разрушения пограничного ламинарного гидравлического слоя жидкого углеводородного горючего (т.е. будет осуществляться дополнительное внутреннее охлаждение топливных коллекторов и каналов). Но через несколько часов (циклов) работы ГТД все углубления искусственных интенсификаторов теплоотдачи заполнятся твердым углеродистым осадком, прекратится главная функция искусственных интенсификаторов по турбулизации пограничного ламинарного слоя жидкого углеводородного горючего (охладителя). Процесс осадкообразования будет продолжаться, в результате чего все топливные коллекторы и каналы сначала частично, а затем и полностью будут закоксованными, т.е. прекратится подача топлива к форсункам (и в систему охлаждения, например, ЖРД и др. ЭУМИ), что приведет к реальным аварийным ситуациям с дальнейшими пожарами и взрывами ГТД, ЭУМИ, ЛА, КЛА, с невыполнением полетных (авиационных, аэрокосмических и космических) заданий, к перерасходу горючего и др. Однако искусственные интенсификаторы теплоотдачи в виде конической (оребренной) поверхности (конической резьбы, кольцевых конических нарезок и т.д.) ограничат рост твердого углеродистого осадка на высоту зубьев, тем самым обеспечив дальнейшую подачу топлива к форсункам (и в систему охлаждения) и повысив живучесть и безопасность ГТД (ВРД, ЖРД, ЭУМИ) и всего ЛА, КЛА. Результаты экспериментальных исследований влияния искусственных интенсификаторов теплоотдачи в виде конусной резьбы на ограничение роста осадка наглядно приведены в [10] на стр.195-198, на рис.3.77-3.80.
В случае возникновения ТААК давления (а это возможно в земных и космических условиях) в топливных коллекторах и каналах предполагается, что:
- автоматически увеличится теплоотдача на 40% (это положительный эффект, который способствует частичному охлаждению горючего и внутренних стенок);
- автоматически возможен циклический процесс откалывания (удаления) твердого углеродистого осадка (если он к тому времени уже появился), что является положительным эффектом (способом удаления осадка), но в то же время этот эффект можно считать и негативным, т.к. отколовшиеся частицы осадка будут захолаживать и забивать все каналы и топливные (в том числе и форсуночные) фильтры, что приведет к частичному или (и) полному прекращению топливоподачи и к другим негативным последствиям, т.е. конструктивно необходимо устанавливать специальные фильтры-ловушки и принимать другие меры;
- автоматически возможен негативный процесс локальных и чередующихся зон перегрева и прогара топливного коллектора, топливного канала (или канала охлаждения ВРД, ЖРД, ЭУМИ); в головке кольцевой камеры сгорания ГТД эти локальные зоны перегревов и прогаров будут опасны, скорее всего, из-за того, что в них из-за повышения температуры стенки процесс осадкообразования будет происходить значительно быстрее, это может привести к дальнейшим негативным последствиям; необходимо заранее предусмотреть эти процессы уже на ранней стадии проектирования и конструктивно применять все способы борьбы с ТААК давления.
Результаты экспериментальных исследований влияния ТААК давления на теплоотдачу и осадкообразование, а также методики расчетов этого влияния доступно и наглядно приведены в [10] на стр.63-65, 137-142, 144-195, на рис.1.26, 1.27, 3.6-3.8, 3.9-3.12, 3.14-3.75. Из анализа работы ГТД без применения электростатических полей видно, что борьба с осадкообразованием полностью не спасает топливные коллекторы и каналы от аварийных ситуаций.
Рассмотрим работу предлагаемой головки кольцевой камеры сгорания с применением электростатических полей в статике (т.е. до начала запуска ГТД) (см. фиг.2, 5-7). До запуска ГТД все топливно-подающие каналы с размещенными в них рабочими иглами будут находиться в воздушной среде с температурой и давлением окружающей среды. Температура стенок каналов также будет зависеть от температуры окружающей среды. В условиях космоса в каналах не будет ни воздуха, ни давления. Внутренние стенки каналов, включая искусственные интенсификаторы теплоотдачи, будут чистыми (т.е. без слоя твердого углеродистого осадка).
Рассмотрим работу предлагаемой головки кольцевой камеры сгорания с применением электростатических полей в динамике (т.е. при запуске и работе ГТД) (см. фиг.2, 5-7). При запуске ГТД жидкое углеводородное горючее (охладитель) заполнит все топливно-подающие каналы, после чего сразу же должны включаться электростатические поля путем подачи необходимого напряжения на отдающие иглы. Жидкое углеводородное горючее (охладитель) в каналах может находиться в условиях естественной и вынужденной конвекции. При работе ГТД будет происходить нагрев стенок топливно-подающих каналов. Для эффективного использования больших возможностей электростатических полей необходимо: правильно размещать рабочие элементы (например, соосные рабочие иглы) при конструировании и создании ЭУМИ; правильно организовывать их эксплуатацию (рассчитывать необходимое и достаточное напряжение и расстояние между рабочими иглами, порядок включения и выключения и др.). Электростатические поля должны включаться в работу совместно с запуском ГТД (после заполнения горючим топливных коллекторов и каналов, в постоянном режиме, без смены полярностей на рабочих иглах), а выключаться - после останова ГТД, после охлаждения внутренних каналов ГТД до температуры менее 373К и перед продувкой камеры сгорания ГТД (что потребует некоторых конструктивных и эксплуатационных изменений). Расстояние между остриями соосных рабочих игл и необходимое подаваемое на них напряжение рассчитывается по формулам и методикам, изложенным в [11-16]. Так, например, чтобы предотвратить осадкообразование на нагреваемой детали (например, на трубке), находящейся в объеме жидкого углеводородного горючего (охладителя), необходимо так подбирать (или рассчитывать) расстояние между остриями двух рабочих соосных игл и подаваемое на них напряжение, чтобы расстояние между внешними силовыми линиями электростатического поля было больше (или равно) диаметру трубки. Такой расчет можно производить по экспериментальной формуле 3.11, приведенной в [11] на стр.167, или по экспериментальному графику, показанному в [11] на стр.136, на рис.3.21. Для увеличения площади поверхности детали, защищенной от осадкообразования, необходимо увеличивать число пар соосных рабочих игл, необходимо так подбирать (или рассчитывать) расстояние между остриями этих игл и между каждой парой соосных игл с необходимым подаваемым напряжением, чтобы внешние силовые линии электростатического поля от каждой пары соосных игл омывали поверхность детали и одновременно объединялись (перехлестывались) с внешними силовыми линиями соседних пар игл. При размещении соосных рабочих игл внутри трубки (канала) необходимо так подбирать (или рассчитывать) расстояние между их остриями и подаваемое электростатическое напряжение на отдающую иглу, чтобы внешние силовые линии максимально проходили по внутренней поверхности канала (или теоретически выходили за пределы стенок канала), что наглядно показано на фиг.5. С целью увеличения площади внутренней поверхности канала, защищенной от осадкообразования, необходимо увеличивать число пар соосных рабочих игл и размещать их так, как показано на фиг.6, 7.
Электростатические поля будут:
1) предотвращать процесс осадкообразования - в областях прохождения силовых линий (что хорошо показано на фиг.5-7). Например, на фиг.5 рабочие иглы в канале 7 размещены соосно каналу; при подаче необходимого напряжения на отдающую иглу 34, которая установлена по потоку, возникнут силовые линии 49-53, которые замкнутся на острие принимающей иглы 35; наружные (внешние) силовые линии 49 теоретически должны выйти за пределы внутреннего диаметра канала (что показано точками), однако они распространятся по внутренней поверхности канала между иглами 34 и 35, именно на этом участке будет осуществляться предотвращение осадкообразования. На фиг.6 показан канал 8 несколько большего диаметра, где расположение рабочих соосных игл осуществлено под некоторым углом, отдающая игла 40 размещена в сторону потока и совместно с принимающей иглой 39 они образуют силовые линии 54-58, где внешние силовые линии 54, 58 обеспечивают предотвращение осадкообразования на внутренних стенках канала между этой парой игл (между иглами 40, 39); другая пара соосных рабочих игл 63, 64 создает силовые линии 61, 60, 59, 65, 62, где линии 62, 65 являются внешними и обеспечивают предотвращение осадкообразования на внутренних стенках канала между этой парой соосных игл 63, 64. На фиг.7 отдающая игла 24 совместно с принимающей иглой 29 будут создавать силовые линии электростатического поля 87, 68, 67, 70, где внешние силовые линии 67, 70 будут обеспечивать предотвращение осадка на внутренних стенках данного канала между этими рассматриваемыми иглами; другая пара соосных игл 31, 78 будет создавать силовые линии 82, 75, 73, 77, где внешние силовые линии 73 и 77 обеспечат предотвращение осадка также на внутренних поверхностях данного канала между этими соосными рабочими иглами 31, 78; в промежуточном пространстве, например, между остриями принимающей иглы 29 и отдающей иглы 31 предотвращение осадка происходит за счет дополнительных пар соосных рабочих игл 27, 32 и 28, 33, размещенных вблизи к внутренней поверхности канала; так, например, отдающая игла 27 совместно с принимающей иглой 32 будет создавать силовые линии 72, 71, 69, 74, где внешние силовые линии 69, 74 будут обеспечивать предотвращение осадка на внутренней поверхности канала в верхней его части (в данном случае), а также в нижней, обеспечивая предотвращение осадка дважды (процесс дублирования предотвращения осадка в нижней части происходит от воздействия нижней пары соосных игл 28, 33 и их внешней силовой линии 86, 83); в верхней части внутренней стенки канала также происходит дублирование предотвращения осадка за счет внешних силовых линий 86, 83, образованных от игл 28, 33; рабочие соосные иглы 28, 33 создают силовые линии 85, 84, 86, 83, где внешние 86, 83 будут обеспечивать предотвращение осадка как в верхней, так и в нижней частях внутренней поверхности канала - в зоне их прохождения; количество дополнительных соосных рабочих игл вблизи внутренней поверхности канала при необходимости можно увеличить; результаты экспериментальных исследований (включая рисунки, схемы и фотографии), а также методики расчета по предотвращению осадкообразования на металлических деталях (на сменных рабочих пластинах из нержавеющей стали марки Х18Н10Т) в жидких углеводородных горючих и охладителях марки ТС-1, РГ-1 при воздействии электростатических полей очень подробно и хорошо показаны в [11] на стр.131-137, 161, 166-167, на рис.3.18-3.21;
2) интенсифицировать теплоотдачу; результаты экспериментальных исследований, включая визуализацию динамики воздействия электрического ветра на экспериментальной оптической установке Теплера, новые и доступные методики расчетов подробно и многогранно показаны и освещены в [11] на стр.118-167, на рис.3.1-3.49;
3) предотвращать появление ТААК давления; результаты экспериментальных исследований по влиянию электрического ветра на разрушение паровых пузырей и тепловых свилей при докритических давлениях, псевдопузырей и псевдосвилей - при критических и сверхкритических давлениях - подробно изложены и показаны в [11] на стр.137-144, 161-162, на рис.3.22-3.31, 3.49;
4) обеспечивать топливоподачу (и подачу охладителя) с дальнейшим распылом в случае выхода из строя основной и вспомогательной системы топливоподачи и охлаждения; экспериментально доказано и показано в [11] на стр.135, 137-144, на рис.3.20, 3.22-3.31, что электрический ветер обладает гидродинамикой, что он способен организовывать вынужденную конвекцию жидкого углеводородного горючего (охладителя), т.е. работать в режиме насоса (электронасоса) - в земных и космических условиях;
5) вести полную предтопливную подготовку [11-15];
6) вести борьбу с коррозией от влияния осадка и др. [11-13].
В случаях позднего включения электростатических полей, аварийного их невключения или вообще отключения (по различным техническим обстоятельствам) процесс осадкообразования будет продолжаться, а через несколько часов (или циклов) работы ГТД твердый углеродистый осадок достигнет высоты зубьев и затормозит свой рост, сохранив работоспособность топливных коллекторов и каналов. Циклом необходимо считать «запуск - останов» ГТД (ВРД, ЭУМИ и др.) даже без фазы полета самолета (вертолета, беспилотного летательного аппарата (БПЛА) многоразового использования и др. ЛА), что происходит при технических обслуживаниях, проверках после ремонта, при перестановках техники на аэродромах и стоянках и т.д., а для наземных ГТД (которые используются не только в сухопутном и водном транспорте, но и в энергетике, при добыче тяжелых нефтей, природного газа и т.п.) циклом необходимо считать любое «включение-выключение» ГТД (от нескольких минут до сотен и тысяч часов), т.е. для наземных ГТД учет выгоднее вести не по циклам, а по наработке в часах. Без электростатических полей могут возникнуть ТААК давления со всеми положительными и отрицательными эффектами, которые были раскрыты ранее.
На основе выше изложенного материала предложена головка кольцевой камеры сгорания ГТД, содержащая наружный и внутренний корпуса, лобовую стенку, соединенную с наружным и внутренним кожухами, и большое число малорасходных форсунок с внутренним смешением топлива с воздухом, где в лобовой стенке выполнены две концентрично расположенные и изолированные одна от другой полости для топлива (топливные коллекторы), защищенные экранами, от которых оно (топливо) по радиальным каналам поступает соответственно к основным и пусковым форсункам, отличающаяся тем, что:
1) в топливных коллекторах и каналах ГТД поддерживается область критических давлений;
2) внутренние стенки наружного и внутреннего топливных коллекторов, радиальных топливных каналов к форсункам, топливного канала подачи топлива в полость внутреннего топливного коллектора выполнены с искусственной шероховатостью в виде конической (оребренной) поверхности с высотой зубьев 2-5 мм;
3) внутри топливных коллекторов и каналов соосно и попарно размещены и закреплены через штуцера с гидроэлектроизоляцией рабочие иглы с электростатическими полями.
Применение экспериментального материала по борьбе с осадкообразованием без использования и с использованием электростатических полей позволяет разработать и представить новую конструктивную схему головки кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя с повышенными характеристиками по ресурсу, надежности, безопасности, живучести, эффективности, экономичности и экологичности.
Источники информации
1. Кузнецов Н.Д., Радченко В.Д., Татаринов В.В. и др. Головка кольцевой камеры сгорания // А.С. №240391. Бюл. №4 от 30.01.83 г.
2. Клячкин А.Л. Теория воздушно-реактивных двигателей. М.: Изд-во «Машиностроение», 1969. 512 с.
3. Мингазов Б.Г. Камеры сгорания газотурбинных двигателей. Учебное пособие. Казань: Изд-во «Казанский государственный технический университет имени А.Н. Туполева», 2006. 220 с.
4. Большаков Г.Ф. Физико-химические основы образования осадков в реактивных топливах. Л.: Изд-во «Химия», 1972. 232 с.
5. Пискунов В.А., Зрелов В.Н. Влияние топлив на надежность реактивных двигателей и самолетов. М.: Изд-во «Машиностроение», 1978. 270 с.
6. Гортышов Ю.Ф., Дресвянников Ф.Н., Идиатуллин Н.С. Теория и техника тепло-физического эксперимента (под ред. В.К.Щукина). М.: Изд-во «Энергоатомиздат», 1985. С.20-99.
7. Гортышов Ю.Ф., Олимпиев В.В. Теплообменные аппараты с интенсифицированным теплообменом. Казань: Изд-во «Казанский государственный технический университет имени А.Н.Туполева», 1999. 176 с.
8. Нечаев Ю.Н., Кобельков В.Н., Полев А.С. Авиационные турбореактивные двигатели с изменяемым рабочим процессом для многорежимных самолетов. М.: Изд-во «Машиностроение», 1988. 176 с.
9. Нечаев Ю.Н. Силовые установки гиперзвуковых и воздушно-космических летательных аппаратов. М.: Изд-во «Академия космонавтики», 1996. 214 с.
10. Алтунин В.А. Исследование особенностей теплоотдачи к углеводородным горючим и охладителям в энергетических установках многоразового использования. Книга первая. Казань: Изд-во «Казанский государственный университет имени В.И.Ульянова-Ленина», 2005. 272 с.
11. Алтунин В.А. Исследование влияния электростатических и магнитных полей на особенности теплоотдачи к углеводородным горючим и охладителям. Книга вторая. Казань: Изд-во «Казанский государственный университет имени В.И.Ульянова-Ленина», 2006. 230 с.
12. Алтунин В.А. Перспективы создания новых конструктивных схем топливоподачи и охлаждения аэрокосмических и космических энергоустановок многоразового использования // Труды 37 научных чтений, посвященных разработке научного наследия и развитию идей К.Э.Циолковского. Секция №2: «Проблемы ракетной и космической техники» (Под ред. акад. B.C.Авдуевского). РАН, ИИЕТ РАН. РАКЦ (Калуга, 17-19 сентября 2002 г.). Казань: Изд-во «Унипресс», 2003. С.122-139.
13. Алтунин В.А. Анализ и оценка новых конструктивных схем топливно-охлаждающих систем аэрокосмических многоразового использования // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Двигатели 21 века», посвященной 70-летию ЦИАМ имени П.И.Баранова. М.: Изд-во ЦИАМ, 2000. Ч.2. С.55-57.
14. Алтунин В.А., Галимов Ф.М., Яновский Л.С. Анализ и классификация способов и методов борьбы с осадкообразованием в энергетических установках многоразового использования на углеводородных горючих и охладителях // Материалы Международной научно-практической конференции «Современные технологии - ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения». Казань: Изд-во Казанского государственного технического университета имени А.Н.Туполева. 2008. Т.1. С.243-250.
15. Алтунин В.А., Галимов Ф.М., Яновский Л.С. Анализ эффективности применения электростатических полей в энергоустановках и техносистемах наземного, воздушного, аэрокосмического и космического базирования. // Сборник материалов 21 Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий». Секция: «Внутрикамерные процессы в наземных и аэрокосмических энергоустановках многоразового использования». Казань: Изд-во «Отечество», 2009. Ч.2. С.3-4.
16. Шигабиев Т.Н., Яновский Л.С., Галимов Ф.М., Иванов В.Ф. Физический и химический хладоресурс углеводородных топлив. Казань: Изд-во «Мастер Лайн», 2000. 240 с.
17. Дубовкин Н.Ф., Яновский Л.С., Галимов Ф.М., Иванов В.Ф., Сигадуллин Р.Н. Авиационные криогенные углеводородные топлива. Казань: Изд-во «АБАК», 1998. 255 с.
18. Дубовкин Н.Ф., Яновский Л.С., Шигабиев Т.Н., Галимов Ф.М., Иванов В.Ф. Инженерные методы определения физико-химических и эксплуатационных свойств топлив. Казань: Изд-во «Мастер Лайн», 2000. 378 с.
19. Яновский Л.С., Иванов В.Ф., Галимов Ф.М., Сапкир Г.Б. Коксоотложения в авиационных и ракетных двигателях. Казань: Изд-во «Абак», 1999. 284 с.
20. Яновский Л.С., Дмитренко В.П., Дубовкин Н.Ф., Галимов Ф.М. и др. Основы авиационной химмотологии. Учебное пособие. М.: Изд-во «МАТИ», 2005. 680 с.
21. Яновский Л.С., Дубовкин Н Ф., Галимов Ф.М. и др. Горюче-смазочные материалы для авиационных двигателей. Казань: Изд-во «Мастер Лайн», 2002. 400 с.