Исследование характеристик запуска камер сгорания малоразмерных газотурбинных двигателей

УДК 621.453.3

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЗАПУСКА КАМЕР СГОРАНИЯ МАЛОРАЗМЕРНЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

А.М. ЛАНСКИЙ, С.В. ЛУКАЧЕВ

В широком диапазоне изменения температуры и давления воздуха на входе в камеру сгорания, свойств топлива и энергии системы зажигания исследовано их влияние на характеристики запуска камер сгорания малоразмерных ГТД. Проведенные анализ и обобщения экспериментальных данных позволили получить эмпирические зависимости, которые могут быть использованы при проектировании и доводке камер сгорания.

Ключевые слова: камера сгорания ГТД, характеристики запуска камер сгорания, температура, давление, свойства топлива, энергия системы зажигания, обобщение экспериментальных данных.

К числу важнейших параметров, определяющих характеристики запуска камер сгорания (КС) газотурбинных двигателей (ГТД), относятся температура и давление воздуха на входе в КС, физико - химические свойства топлива и энергии системы зажигания. Учитывая, что в отечественной и зарубежной литературе подобные исследования крайне ограничены, поэтому они представляют значительный интерес.

Влияние свойств топлива и энергии системы зажигания на характеристики запуска камер сгорания малоразмерных ГТД

В связи с использованием для газотурбинных двигателей альтернативных топлив, важной задачей становится исследование влияния физико - химических свойств топлива на ресурс камеры сгорания и ее основные характеристики. Этому вопросу посвящено большое количество работ [1, 2]. В значительно меньшей степени исследовано влияние свойств топлива на характеристики запуска камеры сгорания.

При переходе на резервные или альтернативные топлива (например, такие как дизельные топлива, керосин Т-6 и др.) существенно ухудшаются такие его характеристики, как летучесть, вязкость и др. Учитывая, что лимитирующим фактором воспламенения двухфазной смеси является скорость испарения, можно ожидать, что изменение перечисленных выше свойств топлива приведет к уменьшению скорости испарения и, как следствие, к ухудшению его воспламенения.

С увеличением вязкости топлива ухудшается качество его распыливания, растет средний диаметр капель по Заутеру (Б32) и уменьшается концентрация паров в непосредственной близости от свечи зажигания. В качестве примера, подтверждающего существование таких проблем, могут служить экспериментальные данные, приведенные на рис. 1, 2. Они свидетельствуют об ухудшении запуска камер сгорания при понижении температуры топлива и увеличении его вязкости.

Поэтому важным является поддержание стабильного качества смеси при запуске камеры сгорания, работающих на различных топливах в широком диапазоне внешних условий. Для этого используются различные методы: подогрев пускового топлива при отрицательных температурах, дополнительный пневмораспыл и др.

Как уже отмечалось ранее, в камере сгорания малоразмерных ГТД (МГТД) из-за весовых ограничений используются системы зажигания с ограниченными энергетическими характеристиками. Поэтому определение влияния энергии системы зажигания на пусковые характеристики камер сгорания имеет большое значение при их доводке. При воспламенении топливно-воздушной смеси (ТВС) искровой заряд создает сферический высокотемпературный объем, попадая в который, топливо мгновенно испаряется и сгорает. Воспламенение топлива в этом объеме и дальнейшее распространение пламени зависит как от величины подводимой энергии извне, так и от качества подготовки ТВС (рис. 3). Причем влияние на качество подготовки смеси путем подвода воздуха к корню топливного факела с РВ =80 кПа значительно сильнее. Как показали экспериментальные исследования, проведенные на различных камерах сгорания, увеличение энергии зажигания в три раза (ЕС = 1.. .3 Дж) приводит к росту коэффициента избытка воздуха (ак) в 1,25 раза.

Рис. 1. Влияние температуры топлива на "бедную" границу воспламенения ТВС в КС двигателя МД -120: ^к, Р*к, Т*к - приведенные скорость, давление и температура на выходе из компрессора

Р'=79.& Па р кг/м1 ’ и-ММ 7с ч <1„-20Т (Гн=-40 ° -О-РТ -  -!1%6 775 840 ) 1,34 4Л7 :) 5.0 60

О 2 4 6 8 10 V. мм /с

Рис. 2. Влияние вязкости топлива на воспламенение ТВС в КС двигателя МД-120: р, V, V - плотность и вязкость топлива

Рис. 3. Влияние энергии системы зажигания на границу воспламенения в КС двигателя МД-120

Приведенные экспериментальные данные по влиянию энергии системы зажигания на воспламенение ТВС в камере сгорания МГТД свидетельствуют о незначительном расширении границ воспламенения.

Анализ и обобщение экспериментальных данных по запуску камер сгорания малоразмерных ГТД

Запуск камер сгорания ГТД представляет сложный нестационарный процесс, включающий в себя предварительную подготовку топливно-воздушной смеси, ее воспламенение и распространение пламени в объеме жаровой трубы. Учитывая сложность рассматриваемого явления, его полное теоретическое описание затруднительно. Поэтому, как правило, экспериментально исследуют и моделируют его отдельные стадии [3], а затем, предполагая преимущество той или иной из них, описывают процесс запуска КС в целом.

В данной работе для описания процесса воспламенения двухфазной ТВС с помощью искрового разряда был использован подход, основанный на методе теплового баланса. Предполагалось, что энергия искрового разряда расходуется на нагрев малого объема топливно-воздушной смеси.

Воспламенение ТВС происходит в том случае, если количество тепла, выделившегося в этом объеме (ёя), превышает количество тепла, отводимого из этого объема в единицу времени. При этом процесс выделения тепла определяется временем испарения капель жидкого топлива (тисп) и временем химической реакции (тхр), а его рассеивание характеризуется временем турбулентного смещения (тсм). В этом случае границу воспламенения можно определить из следующего соотношения характерных времен

тсм тхр + к1 • ас:

где

я

С3 ' РТ ' ё32 ' акв С1 ' РВ ' 1п '

Ь • ехр-

Е

V* • Та=1 У

"хр

РТ • СРВ • ё32

8 • к в • 1п •

При определении времени турбулентного смешения в качестве характерной скорости (W) использовалась скорость набегающего на свечу потока ТВС. Величина коэффициента избытка воздуха в межэ-лектродном зазоре свечи принималась постоянной и равной асв = 1.

На рис. 4 ,5 приведены результаты обобщения экспериментальных данных по воспламенению ТВС в камерах сгорания двигателей МД-120 и ВГТД-2. Причем, «бедные» границы воспламенения для камер сгорания двигателей ВД-100, МД-120 и ВГТД-2, имеющие традиционные схемы фронтовых устройств, обобщены едиными уравнениями регрессии.

см

исп

Тсм10\с

0.2

0.)

ТСМ "0-0 +0,38556 Г 3598+ (тхр+0.021т !Сп) jOj 6

воспламе- нение у / нет ВОСПЛ0 менения

& Рк = 35...99 кПа = 223...293 К 1

ТкЛО ,с

0,2

0.1

1 тш=-0.032 +0,852б4(т: 7+ д,+0,021тисг - V/

воспламе- нение е / нет вое пламснсния

ІК = 22 р;=зз 3 ...293 К ..99 кПа

0.25

0.5

0.75 {тХР +0.021апвтисгг). 10" с

0.125

0,25

0.375 (тХР+0.021а™тисп}.10"с

Рис. 4. Обобщение экспериментальных данных по запуску в КС двигателей МД-120 и ВГТД-2

Рис. 5. Обобщение экспериментальных данных по запуску в КС двигателя ВД-100

Полученные аппроксимации экспериментальных данных единым уравнением регрессии подтверждают правильность подхода и обоснованность применяемой математической модели.

Некоторое различие углов наклона полученных зависимостей объясняется в основном тем, что при обобщении экспериментальных данных использовалось допущение о постоянстве коэффициента ак в межэлектродном зазоре свечи и, кроме того, в качестве характерной скорости принималась скорость набегающего на свечу потока, которая хотя и пропорциональна характерной скорости, но не равна ей.

Заключение

Таким образом, проведенные экспериментальные и теоретические исследования позволили:

- оценить влияние параметров потока воздуха, системы зажигания и свойств топлива на пусковые свойства различных КС;

- получить обобщенные корреляционные зависимости «бедной» границы воспламенения.

Разработанная математическая модель может быть использована при проектировании геометрически подобных камер сгорания, а на этапе доводки - для оценки границ воспламенения ТВС в широком диапазоне высотно-климатических условий.

ЛИТЕРАТУРА

1. Зубков П.Г. Исследование процесса воспламенения при запуске камер сгорания малоразмерных ГТД: дис...канд. техн. наук. - Самара, 1991.

2. Лукачев В.П., Ланский А.М., Абрашкин А.Ю. Рабочий процесс камер сгорания малоразмерных ГТД, проблемы, некоторые пути повышения его эффективности // Вестник СГАУ, серия Процессы горения, тепломассообмена и экологии тепловых двигателей. - Самара: Самарский гос. аэрокосм. ун-т. - 1998. - Вып. 1. - С. 11-39.

3. Веппе А.Б., Зубков П. Г., Ланский А.М. Влияние параметров воздуха на запуск камер сгорания ГТД. - Деп. В ЦНТИ ГА 22.II.90, № 822-ГА90. - Куйбышев, 1990.

RESEARCH OF DESCRIPTIONS OF START OF COMBUSTION OF LITTLESIZE GTD CHAMBERS

Lansky А.М., Lukachev S.V., Matveev S.G.

In a wide range change of temperature and pressure of air on included in a combustion chamber, properties of topliva and energies of the lighting system influence is investigational on description of start of combustion of maloraz-measured GTD chambers. Conducted an analysis and generalizations of operating information allowed to get empiric dependences which can be used for planning and polishing of combustion chambers.

Key words: combustion of GTD chamber, descriptions of start of combustion chambers, temperature, pressure, properties of fuel, energy of the lighting system, generalization of experimental information.

Сведения об авторах

Ланский Анатолий Михайлович, 1950 г.р., окончил КАИ им. академика С.П. Королева (1975), кандидат технических наук, доцент кафедры теплотехники и тепловых двигателей Куйбышевского авиационного института, автор более 70 научных работ, область научных интересов - физика и моделирование процесса горения в камерах сгорания ГТД.

Лукачев Сергей Викторович, 1949 г.р., окончил КАИ им. академика С.П. Королева (1973), доктор технических наук, профессор, заслуженный работник высшей школы, заведующий кафедрой теплотехники и тепловых двигателей Куйбышевского авиационного института, автор более 150 научных работ, область научных интересов -физика и моделирование процесса горения в камерах сгорания ГТД.