Особенности формирования полей температуры газа на выходе из камер сгорания малоразмерных газотурбинных двигателей

УДК 621.438

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПОЛЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ГАЗА НА ВЫХОДЕ ИЗ КАМЕР СГОРАНИЯ МАЛОРАЗМЕРНЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

© 2010 А. М. Ланский, С. В. Лукачёв, С. Г. Матвеев

Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королёва

Рассматриваются результаты исследований аэродинамической структуры течения и гидравлических потерь в камерах сгорания малоразмерных газотурбинных двигателей (ГТД). Представлено влияние конструктивных и режимных параметров на характеристики выходного поля температуры газа (ПТГ).

Камера сгорания, поле температур, остаточная закрутка, гидравлическое сопротивление, начальная неравномерность, раскрытие жаровой трубы.

Если в большинстве существующих полноразмерных камер сгорания (КС) обтекание жаровой трубы, как правило, «симметричное», то в КС малоразмерных ГТД (МГТД) - более сложное, что приводит к дополнительным потерям полного давления во внутреннем кольцевом канале и, следовательно, к разнице статических давлений на обечайках жаровой трубы [1, 2].

Так, например, для КС двигателя МД-120 расход воздуха, поступающего в наружный канал, зависит от приведённой скорости потока, в то время как через внутренний смеситель остается практически постоянным. Это объясняется тем, что увеличиваются потери полного давления на поворот потока во внутренний канал.

На рис. 1 приведено влияние раскрытия жаровой трубы (в данном случае за счёт уменьшения площади F(^М) на характеристики

КС двигателя МД-120. При распределении воздуха по смесителям согласно рекомендациям для проектирования полноразмерных КС ^^К=1,30...1,34, для малоразмерных камер сгорания возникает высокий уровень неравномерности

выходного поля температур газа (&™ах-0,35^0,37; &нгах~1,17), нагар на

стенке жаровой трубы.

Как показывают исследования,

минимальная окружная и радиальная неравномерности соответствуют примерно равным расходам воздуха через наружный и внутренний смесители.

0,4

0,2

0

Тк=423К о<к=4...4.5 Ак=0.25 внут] РФР=0Л47 0 1 ). канал .

м V' У'Мп' Рк=100кПа Ы . / / /

Л&Г Сг-Й1-' ^Г—= IV

// СО-' / \ наруж. канал

/ -Л

Рис. 1. Схема камеры сгорания малоразмерного ГТД и влияние раскрытия жаровой трубы на расходные характеристики ОВ£ - суммарный расход воздуха, о - коэффициент

потерь полного давления, - относительный

аПЗ ^~<фр /-иг „

в , Ц~в , Ц~в - относительный

ФР

Ї1Р

расход воздуха в первичную зону, фронтовое

-к

устройство и первый ряд отверстий, Тіт -

температура воздуха на входе в КС, &к -коэффициент избытка воздуха, Рк - давление воздуха в КС, Хк - приведённая скорость на входе в

КС, F = ^0|/ Fк - отношение суммы площадей

отверстий в жаровой трубе к площади на входе в КС (раскрытие жаровой трубы).

Так как наружная обечайка жаровой трубы камер сгорания малоразмерных ГТД «работает» под избыточным перепадом давления, то можно предположить, что любые неравномерности потока на выходе из диффузора прежде всего оказывают влияние именно на характеристики ПТГ в окружном направлении.

В качестве примера приведено влияние остаточной закрутки потока фОСТ на уровень

вф

для камеры сгорания двигателя МД-

120 (рис. 2).

0

Рис. 2. Влияние остаточной закрутки на выходе из компрессора на характеристики выходного поля температуры газа камеры сгорания двигателя МД-120 - О - результаты эксперимента

Минимальное значение 0фпах~ 0,22...0,24 достигается при смещении отверстий смесителя относительно первого ряда на наружной обечайке жаровой трубы на угол ф~17°(11°+5°30') от исходной компоновки, что примерно равно фост=17°. В такой конструкции реализуется «шахматное» расположение струй первого ряда и наружного смесителя, которое способствует более интенсивному перемешиванию и выравниванию характеристик поля

температуры газа в окружном направлении.

Известно, что при заданной длине жаровой трубы неравномерность поля

температуры газа на выходе из камеры

сгорания и гидравлические потери в ней определяются следующими относительными геометрическими параметрами: Е¥0/¥ж,

FKK/SF0, SF0, Fa>p/£Fo и степенью подогрева газа. Повышение потерь в жаровой трубе путём уменьшения эффективной площади отверстий является инструментом конструктора для обеспечения требуемых

_ _ _ /.о max .о max \

характеристик камеры (&9 , , Пг).

Поэтому ещё на стадии эскизного проектирования необходимо иметь интегральные модели, позволяющие с достаточной точностью оценивать потери полного давления (%К или аК).

Проведённые исследования

показывают, что известные модели применительно к малоразмерным камерам сгорания рассматриваемых схем дают погрешность в определении коэффициента гидравлических потерь до 150...200%.

Поэтому на основе анализа и обобщения имеющихся экспериментальных данных разработана уточнённая модель расчёта коэффициента гидравлического сопротивления для геометрически подобных камер сгорания МГТД (для Gs=0,3.. ,2,5кг/с):

їк = + КF

Ґ \2

ґ Fk_

MF0

їд = К1 ХК2 X

V

їт = кл

Fw

1--

\

V ґ

cX ПД

KF=f(ZF0/F!),

T*

_Г

T*

1 ту

-1

КАТ = 26,94х exp[-10,12(Fk^)].

В работе [3] приведены рекомендуемые значения коэффициентов К1, К2, Кр для исследуемых схем КС МГТД. Поправочный коэффициент КаТ учитывает форму жаровой трубы и неравномерность полей T Г*, и К в зависимости от отношения FK/FЖ . Для КС

МГТД Клт~1...8(Клт=0,5...2,5 - ПКС).

Коэффициент Кр учитывает схему КС (прямоточная, противоточная или трубчатокольцевая). На рис. 3 дано сравнение

расчётных и экспериментальных значений їК. Погрешность определения

гидравлических потерь для геометрически подобных КС не превышает ±5,5%.

0,8 1 1.2 1,4 1,6 1,8 IF0/FK

Рис. 3. Зависимость от отношения ZF(/FK для исследуемых вариантов КС МГТД -О- КС двигателя МД-120; КС двигателя МД-45;

-х- КС двигателя ВД-100

Исследование влияния геометрических параметров КС на выходное поле температур проводилось в несколько этапов. На первом этапе изучалось влияние площадей

фронтового устройства (F<P =f<p/fk),

первого ряда отверстий F i р , наружного

__н

смесителя Fсм . После выбора оптимальных вариантов исследовалось влияние размерности и конструкции фронтового устройства, раскрытия внутренней обечайки, неравномерности распределения топлива по форсункам и условий течения в каналах на поля температур.

Для исключения индивидуальных различий жаровых труб испытания проводились на нескольких вариантах исследуемых камер сгорания с многократным дублированием измерений после переборок.

Проведённые исследования показали, что изменение аэродинамической структуры течения и состава топливно-воздушной смеси в первичной зоне оказывает весьма существенное влияние на неравномерность температурного поля камеры. Благодаря этому появляется реальная возможность

~ s-\ max s-\ max _

воздействия на и &h с помощью

режима работы первичной зоны, что можно использовать при доводке и совершенствовании существующих и создании новых камер сгорания.

Формирование равномерного

сносящего потока зависит от организации рабочего процесса в зоне горения, т.е. от

шага между форсунками, равномерности распределения топлива и воздуха по объёму жаровой трубы и завершённости процесса горения в первичной зоне.

Одной из причин увеличения уровня неравномерности поля температур на выходе из КС является неравномерное распределение топлива по форсункам. Подтверждением этого служит зависимость 0фтах, &ьпах от начальной неравномерности распределения топлива, полученная в результате обобщения экспериментальных данных (рис. 4), где Кт=(Оттах-Оттт)/ОтСР. Следует особо отметить, что радиальная эпюра при изменении КТ в диапазоне от 0,1 до 4 не претерпевает заметных изменений.

О

APT=const :>

^Хк=0.24 ...0,25 ...423К .7.5 ...696кПа

r/Г Тк=353 п„=3 5

Рк=100

г/ °

Ш/ о \GT=coiist

©Го

о С§Ь о о с:.

IP и ’ с

gp ©

0 1 2 3 Кт

Рис. 4. Влияние начальной неравномерности распределения топлива по форсункам на характеристики выходного поля температуры газа камер МГТД

-О- по данным авторов; -  - по данным предприятия

Особый интерес для формирования окружной неравномерности КС МГТД представляет область, в которой при небольшом изменении Rf^0,2...0,32 уровень

0max л с / /'л max

ф изменяется примерно в 2,5 раза (

~ 0,2...0,5), что, по-видимому, объясняется незавершённостью процесса в зоне горения и догоранием несгоревшей топливновоздушной смеси (ТВС) на струях смесителя.

Отмеченное обстоятельство позволяет более обоснованно подходить к выбору

допустимого уровня разброса расходных характеристик топливных форсунок. Не следует, вероятно, добиваться значения Кт меньше 0,1 ^0,2. Анализ литературных данных показывает, что на характеристики поля температуры газа на выходе из КС значительное влияние оказывает глубина проникновения струй вторичного воздуха

B Р , при этом для полноразмерных камер сгорания (ПКС) BPОПТ » 0,5...0,6.

С целью выяснения влияния изменения проходных сечений фронтового устройства

Fфp) наружного и внутреннего смесителей

—н —ВН \

Есм и Есм ) на выходное поле

температуры и распределение воздуха по кольцевым каналам проведён комплекс исследований в широком диапазоне изменения их характерных площадей:

ЕфР /Щ =0...0,225;

ЕМ /Щ =0-0,3;

ЕСМН /щ =0...0,253.

По степени влияния их можно расположить в следующем порядке (рис. 5): фронтовое устройство, наружный смеситель, внутренний смеситель. Изменение площади фронтового устройства оказывает наибольшее воздействие на уровень 0фтас и практически не влияет на максимальный уровень радиальной неравномерности.

Это является прямым следствием незавершённости процесса горения в первичной зоне, в результате чего на струях вторичного воздуха происходит догорание топливо-воздушной смеси, т.е. смеситель формирует выходное ПТГ дожиганием ТВС, не сгоревшей в первичной зоне.

1 1,1 1,2 1.3 F0=IF0/FK

Рис.5. Влияние раскрытия жаровой трубы на камеры сгорания двигателя МД-120:

-•- f£M = var ; -о- ЩМ = var; - - ¥ФР = var

Так как уровень минимальной окружной неравномерности наблюдается

при равенстве расходов воздуха GBcm и

ВН

Gb см , то одним из направлений

обеспечения равномерного поля температур в КС МГТД прямоточной схемы является поиск способов выравнивания расходов через смесители. Как показывают

исследования, этого можно достичь

выравниванием профиля скорости на входе в наружный смеситель путём выбора соответствующего шага между отверстиями первого ряда и смесителя на наружной обечайке жаровой трубы (ЖТ) при

неизменной площади отверстий первого ряда.

Таким образом, результаты экспериментальных исследований по влиянию конструктивных и режимных параметров на характеристики выходного поля температур позволили более обоснованно выбрать математические

0max гл max

Ф и 0h и

установить взаимосвязь между этими величинами.

Библиографический список

1. Лукачёв, В. П. Рабочий процесс камер сгорания малоразмерных ГТД, проблемы и некоторые пути повышения его эффективности [Текст] / В. П. Лукачёв, А. М. Ланский, В. Ю. Абрашкин [и др.] // Вест. СГАУ. Сер. Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей. - Самара, 1998. - Вып. 1. - С. 11-39.

2. Абрашкин, В. Ю. Влияние остаточной закрутки потока на характеристики выходного поля температур в камерах

сгорания малоразмерных ГТД [Текст] / В. Ю. Абрашкин, А. М. Ланский // Тезисы докладов IV Всесоюзной научно-техн. конф. «Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей» / СГАУ. - Самара, 2004. - С. 143-144.

3. Абрашкин, В. Ю. Формирование полей температуры газа на выходе из камер сгорания малоразмерных ГТД [Текст]: дисс.. ..канд. техн. наук / Абрашкин В. Ю. -Самара, 2006. - 152 с.

References

1. Lukatchev, V. P. Operation of small-sized gas-turbine engine combustion chambers, problems and some ways of increasing its efficiency / V. P. Lukatchev, A. M. Lanskiy, V. Yu. Abrashkin et al. // Vestnik of SSAU. Ser. Combustion and heat exchange processes, ecology of heat engines. - Samara, 1998. -No.1. - PP. 11-39.

2. Abrashkin, V. Yu. The influence of residual flow spin on the characteristics of the outlet temperature field in combustion chambers of small-sized gas turbine engine / V. Yu.

Abrashkin, A. M. Lanskiy // Theses of papers presented at the IVth All-Union scientific and engineering conference «Processes of combustion and heat exchange, ecology of heat engines» / SSAU. - Samara, 2004. - PP. 143144.

3. Abrashkin, V. Yu. Gas temperature field formation at the exit of small-sized gas turbine engine combustion chambers: thesis of the candidate of technical science / V. Yu. Abrashkin. - Samara, 2006. - 152 p.

PECULIARITIES OF GAS TEMPERATURE FIELD FORMATION AT THE EXIT OF SMALL-SIZED GAS TURBINE ENGINE COMBUSTION CHAMBERS

© 2010 A. M. Lanskiy, S. V. Lukatchev, S. G. Matveyev

Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolyov

The paper presents the results of investigation of the aerodynamic flow structure and hydraulic losses in combustion chambers of small-sized gas turbine engines. The influence of design parameters and operating conditions on the exhaust gas temperature field is shown.

Combustion chamber, temperature field, residual flow spin, hydraulic resistance, initial non-uniformity, combustion liner exposing.

Информация об авторах

Ланский Анатолий Михайлович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплотехника и тепловые двигатели», Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королёва (национальный исследовательский университет), заведующий лабораторией АСУ-ВУЗ СГАУ, amlansky@ssau.ru. Область научных интересов: физика и моделирование рабочих процессов в камерах сгорания газотурбинных двигателей.

Лукачёв Сергей Викторович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Теплотехника и тепловые двигатели», Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королёва (национальный исследовательский университет), lukachev@ssau.ru. Область научных интересов: физика и моделирование процессов горения в камерах сгорания газотурбинных двигателей.

Матвеев Сергей Геннадьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплотехника и тепловые двигатели», Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королёва (национальный исследовательский университет), начальник планово-финансового управления СГАУ, pfu@ssau.ru. Область научных интересов: физика и моделирование процессов горения в камерах сгорания газотурбинных двигателей.

Lanskiy Anatoly Mikhailovitch, candidate of technical science, associate professor of the department “Heat engineering and heat engines”, Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolyov (National Research University), head of the laboratory Automatic Control Systems SSAU, amlansky@ssau.ru. Area of research: physics and modelling of operating processes in combustion chambers of gas turbine engines.

Lukatchev Sergey Victorovitch, doctor of technical science, professor, head of the department “Heat engineering and heat engines”, Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolyov (National Research University), lukachev@ssau.ru. Area of research: physics and modelling of operating processes in combustion chambers of gas turbine engines.

Matveyev Sergey Gennadyevitch, candidate of technical science, associate professor of the department “Heat engineering and heat engines”, Samara State Aerospace University named after academician S. P. Korolyov (National Research University), head of the financial department of SSAU, pfu@ssau.ru. Area of research: physics and modelling of operating processes in combustion chambers of gas turbine engines.