автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Исследование качества распыливания топлива и его влияния на характеристики камер сгорания малоразмерных ГТД

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П.КОРОЛЕВА

/

на правах рукописи

ДИДЕНКО Алексей Александрович

1—ше>

ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА РАСШИВАНИЯ ТОПЛИВА И ЕГО ВЛИЯНИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ КАМЕР СГОРАНИЯ МАЛОРАЗМЕРНЫХ ГТД

Специальность 05.07.05 "Тепловые двигатели летательных аппаратов"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара - 1996

Работа выполнена в САМАРСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ АЭРОКОСМИЧЕСКОМ УНИВЕРСИТЕТЕ имени академика С. П. КОРОЛЕВА

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ -доктор технических наук,

профессор ЛУКАЧЕВ С.В.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОПОНЕНТЫ -доктор технических наук,

профессор ДУВИНКИН Ю.М.

-кандидат технических наук "" САВЧЕНКО В.П.

ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ: Московское конструкторское бюро "Гранит"

г.Москва

Защита состоится " 19 г. в _ часов

на заседании специализированного совета Д 063.87.01 в Самарском государственном аэрокосмическом университете имени академика С. П. Королева по адресу: 443086, Самара, Московское шоссе, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГАУ. Автореферат разослан' Н^Л^-^и^ 19 % г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ специализированного совета

ТН. КОПТЕВ

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность.

В данной работе вопросы качества распиливания топлива рассматриваются применительно к задачам доводки камер сгорания (КС) авиационных газотурбинных двигателей (ГТД).

В авиационных ГТД в качестве горючего используется, как правило, жидкое топливо. Сжигание его.в КС двигателей обычно начинается с распиливания топлива на множество мелких капель; при этом образуются капли с величиной средних диаметров (СДЮ порядка -(20... 150) • 1СГ6 м.

Для достижения наибольшей эффективности процессов в КС, лучших их рабочих характеристик и характеристик двигателей необходимо, чтобы размеры капель и неравномерность их распределения находились на определенном для кождой из камер уровне. Кроме того, с учетом структуры внутрикамерного течения требуется достаточно точное распределение топлива по участкам зоны горения.

Желаемые условия по качеству распыла, несмотря на очевидные успехи двигателестроения и соответствующих наук о горении, удается обеспечивать лишь в результате трудоемкой и длительной экспериментальной доводки КС. Производятся и предварительные просчеты конструкции и оценки параметров смеси, однако эти расчеты как правило недостаточно надежны. Главными причинами такого положения являются недостаточная все еще изученность деталей механизмов горения распыленного топлива, отсутствие адекватных моделей для описания различных форм его горения, а также простая нехватка фактических данных о параметрах качества распыла для натурных КС.

Устранение вышеперечисленных и других недостатков во многом связызается с внедрением методов многомерного численного моделирования и соответствующих им лазерно-оптических систем диаг-

ностики процессов по типу, например, годографических и фазо -- доплеровских. Однако, для задач доводки и начального проектирования КС сохраняется также необходимость и в совершенствовании традиционных до сих пор методов интегральных оценок с применением полуэмпирических корреляционных зависимостей. Причем, для накопления и использования в них данных по параметрам мелкости распыла в большей степени подходят более простые интегральные оптические методы типа дифракционного метода "малых углов", а вместо изокинетических индивидуальных пробоотборников для получению эпюр распределения топлива - многоканальные сборники и др.

В данной работе объектом исследования является рабочий процесс высококомпактной, прямоточной КС малоразмерных ГТД (МГТД) мощностью до 200,..А50 кВт, то есть двигателей I типоразмера по классификации ЦИАМ, устанавливаемых на легких самолетах и беспилотных JIA, что связано с тематикой выполняемых хоздоговорных исследований. От камер подобных двигателей при сравнительно невысоком общем уровне их характеристик жестко, тем ке менее, требуется устойчивая работа в достаточно широком диапазоне режимов. Одним из наиболее очевидных резервов обеспечения требуемых характеристик таких КС рассматривается уменьшение размеров капель распыленного топлива, которые в силу особенностей малоразмерных изделий, с их небольшими зонами горения, получаются не настолько мелкие, как это необходимо. Однако, на какие резервы повышения качества распыла можно рассчитывать и будет ли при этом достигнуто улучшение характеристик - точно неизвестно. С одной стороны, недостаточно данных по качеству распыла и его влиянию, то есть, сказываются те самые причины, о которых выше уже говорилось. С другой стороны, практические вопросы создания и применения оптических методов в диагностике факелов распыла в

литературе освещены еще крайне недостаточно, что сдерживает быстрое их внедрение и использование для накопления экспериментальных данных.

И*ль исследования.

Создать необходимое аппаратурно-методическое обеспечение для исследования качества распиливания топлива, накопить с его поморю базу данных по мелкости.распиливания для форсунок МГТД и » количественно оценить влияние средних диаметров капель (СДК) на характеристику "бедного" срыва пламени малоразмерных КС.

■Задачи исследования.

1. Создать экспериментальную установку для испытания форсунок и фронтовых устройств ГТД и оснастить ее средствами для опреде-' ления основных параметров факелов распыла.

2. Отработать технологию получения достоверной информации о параметрах мелкости распыла топлива.

3. Накопить необходимую базу данных по средним диаметрам капель для форсунок КС МГГД.

4. Разработать расчетную модель форсунки, позволяющую учитывать взаимосвязь уровня мелкости распыла с конструкцией и режимом работы форсунки.

5. Разработать расчетную модель первичной зоны КС, которая позволяет проследить связь характеристики "бедного" срыва пламени с качеством распиливания топлива форсункой.

6. Разработать комплекс вычислительных программ для обеспечения, оптических измерений, обработки данных по мелкости распыла топлива и срыву пламени в КС.

7. На основе разработанного инструментария провести исследование влияния средних (по Заутеру) диаметров капель на положение "бедной" граница срыва пламени для КС МГТД 1-го типоразмера.

8. Разработать рекомендации по практическому использованию результатов работы.

Научная новизна.

Метод малоуглового рассеяния света на сферических частицах реализован в виде технологии сбора и методики обработки информации с целью определения средних диаметров капель (СДК) и фун-■» кции распределения капель по размерам (ФРКР).

'-Накоплена база данных по мелкости распыла форсунками типичных схем для КС МГТД и предложены зависимости для расчета их СЛК.

Получена тенденция изменения характеристики КС по "бедному" срыву пламени для ГТД широкого диапазона размерностей.

На основе накопленных данных по СЛК и эмпирической константе А"» (уравн. (1),(2)), а также с учетом механизмов горения распыленного топлива, получены величины коэффициентов влияния Ка средних диаметров капель на положение "бедной" границы характеристики срыва пламени.

Практическая ценность и внедрение.

Создан инструментарий дм проведения сквозного исследования, начиная от измерения влияющего фактора - размеров капель, через анализ характеристик форсунок, до получения оценок их" влияния на характеристики КС.

Полученные результаты по коэффициентам влияния Кс^ и константе А"» ключевого выражения позволяют на стадии проектирования КС и её форсунки проводить оценки эффективности различных конструктивных мероприятий.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены и_обсуждены: на Всесоюзных (межреспубликанских) научно-технических конференциях "Вихревой эффект и его промышленное применение" (Самара, 1991г.)-, "Газотурбинные и комбинированные уста-

ноеки" (Москва, МГТУ, 1991г.); на научно-технических семинарах "Рабочий процесс в камерах сгорания ВРД" (Москва, МАИ, 1990г.); "Внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика" (Казань, КВВКИУ РВ, 1993г.); "Совершенствование методов и средств стендовых испытаний ВРД и их узлов" (Лыткарино Моск. обл.,РАМ, 1995г.), "Совершенствование мощнос-тных, экономических и экологических показателей ДВС" (Владимир, ВГТУ, 1995г.), "Проблемы экономичности и эксплуатации ДВС в АПК СНГ" (Саратов, СГАУ, 1995г.); а также - перед ведущими специалистами ОКБ "Гидромеханика" (Уфа, 1993г.), ЦИАМ, МКБ "Гранит" (Москва, 1995г.) и АО СНТК "Двигатели НК" (Самара) (1995г.). По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ. Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов по работе, списка используемой литературы из 232 наименований и 4 приложений. Работа изложена на 206 страницах машинописного текста, содержит 60 страниц с рисунками и 2 таблицы. Общий объём диссертации 267 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Пе^вая^^лава посвящена анализу опубликованных результатов по горению распыленного топлива, анализу моделей "бедного" срыва пламени и средств для исследования качества распыла топлива. Глава заканчивается постановкой задач исследования.

Горение двухфазной горючей смеси исследовалось в многочисленных работах отечественных и зарубежных авторов. Считается, что горение может протекать в следующих формах: (I) - в следах крупных и вокруг самых мелких капель; (II) - вокруг топливных газо-фазных и капельных неоднородностей; (Ш) - в свободном турбулентном потоке "на стехиометрических поверхностях"; (IV) -- во всем объеме реакционной зоны. Из-за сложности' и недостаточной изученности процессов горения распространенным является

анализ или расчет процессов исходя из превалирующей роли какой-либо одной или двух из названных форм горения, например, (III) как у К.И.Щелкина. В.Р.Кузнецова, Р.В.Бидаера; или, например, (I) как у Ф.А.Вильямса или (IV) - у Е.С.Щетинкова, А.Х. Лефевра; (III) и (IV) как у A.B.Талантова, Е.С.Щетинкова иди (I) и (IV) - у T.L.Jiang, H.H.Chin. Но работ, объединяющих в единое целое три или все четыре формы горения, автором диссертации не встречено.

В большинстве исследований "бедного" срыва пламени условия в первичной зоне (ГО) или зоне циркуляции (ЗЦ) моделируются гомогенным реактором (Лонгвелл, Сполдинг, Оджерс, Л.А.Вулис, A.B. Талантов, Ю.А.Кньш, И.И.Онищик и др.), что хотя и является сильным упрощением реальной картины, но позволяет получить простые расчетные соотношения. Основным аргументом в пользу реакторных моделей являются данные о высокой степени турбулентности и, следовательно, перемешанное™ смеси в ЗЦ, ъ которой обычно и удерживается остаточное пламя перед срывом. В последнее время для описания границ "бедного" срыва пламени стали разрабатываться подходы с использованием представлений о преобладании поверхностного механизма горения ("горение по стехиометрическим поверхностям") (А.А.Горбатко, В.Р.Кузнецов и П.А.Липатов; А.Ф. Урывский). Однако, эти модели достаточно сложны, хотя в них и отсутствует учет двухфазности смеси. Двухфазные свойства смеси учитываются в моделях Лефевра и Беллала, М.Т.Бортникова и некоторых других, но они так же в большем своем числе реакторные и исходят из равномерного распределения капель по ПЗ, а также предусматривают горение только по объемному механизму.

В данной работе для описания связи характеристики "бедного" срыва пламени с размерами капель в качестве прототипа была выбрана модель Лефевра (1985г.), что определилось её простотой й

ясностью взаимосвязи характеристики с величиной СДК (выраж.(1)), а также тем. что она была уже успешно применена для анализа характеристик "бедного" срыва пламени для КС ряда реально существующих ГТД, но только для двигателей 'средней и большой размерности. Было бы весьма интересно получить аналогичные результаты для КС МГТД и рассмотреть их совместно с предыдущими.

Кроме того, выбранная модель позволяет учесть и форму функции распределения капель по размерам (ФРКР) путем задания ряда коэффициентов формы. Однако, автор модели из-за отсутствия у него конкретной информации по ним принимал величины этих коэффициентов постоянными как для функции Розина-Раммлера для "хорошо" распиливающих форсунок, что, очевидно, несовсем верно для предсрывных режимов с плохим, наоборот, распылом.

Б' дачной главе проанализированы также возможности методов для измерения параметров мелкости распыла. Оптические методы, благодаря отсутствию при своем применении искажений исследуемого течения и удобству последующей обработки данных на ЭВМ, являются в настоящее■время более предпочтительными. Исходя из потребностей выбранной модели срыва пламени в значениях СДК и параметрах формы ФРКР был выбран дифракционный оптический метод малоуглового рассеяния (метод "малых углов").

Что касается стендового испытательного оборудования, то анализ показал, что для целей данной работы наиболее подходящей оказывается установка с испытанием форсунок в атмосферных условиях (с внесением затем поправок на условия в натурных КС).

Во второй главе описывается стендовое и измерительное оборудование для определения параметров факела распыла.

Автором диссертации была создана экспериментальная установка (Рис.1), позволяющая испытывать форсунки и фронтовые устройства КС при распиливании натурных топлив и при различных вари-

антах подвода топлива и Еоздуха. Распиливание топлива осуществляется в рабочей камере установки при атмосферных, стендовых условиях. Перепады давлений топлива и воздуха на форсунке определяются по отношению к давлению в этой камере: ДРт.в = Рт. в -- Рк (или дР/Рк, % ).

. СДК и ФРКР определяются с использованием бесконтактного метода малоуглового рассеяния (Рис.2). Остальные параметры факела распыла определяются традиционными методами: взвешиванием, "многоточечным" отбором с высоким пространственным разрешением с помощью подвижного многоканального сборника и последующего взвешивания, а также - по результатам фотографирования факела.

Плоские эпюры распределения топлива, измеренные .с помощью многоканального сборника для нескольких сечений факела распыла (Рис.2), позволяют построить общее поле распределения жидкой массы топлива и по его рельефу судить о неравномерности его распределения (Рис.3). Интегрированием по построенным полям и последующим сравнением с наперед известными расходами оценена достоверность таких построений с целью выявить влияние неизоки-нетичности сбора. Полученные расхозеденга оказались < 4% при чисто механическом распыле, а при подводе к факелу высокоскоростного воздуха были на уровне 20...30 X.

Глава заканчивается описанием общего порядка измерения СДК и ФРКР с использованием лазерно-оптическсй системы.

Третья глава посвящена отработке технологии применения оптического метода по определению характеристик мелкости распыла.

В основе выбранного оптического метода лежит, как известно, явление дифракции монохроматического света на сферической частице, согласно которому при освещении полидисперсных капель цилиндрическим пучком (Рис.2) за ними, в фокальной плоскости собирающей линзы, образуется световое поле, размеры которого свя-

закы, как известно, с величиной СДК, распределение интенсивности п нем - с ФРКР, а общая яркость - с концентрацией капель в измерительном объеме. Измерив в поперечном сечении этого поля распределение в нем интенсивности света или, получив так называемую индикатрису рассеяния, и пользуясь известными математическими методами ее обращения, определяется сначала ФРКР, а по ней вычисляют СДК.

Выражение для индикатрисы представляет из себя интегральное уравнение Фредгольма 1-го рода, обращение которого при наличии ошибок оптических измерений относится, как известно, к классу обратных некорректных задач и для решения которого (обращения 1 требуется применять специальные методы. В данной работе были изучены, запрограммированы и исследованы известные для подобных задач методы аналитически точного интегрального обращения К. С. Шифрина, матричного псевдообращения Гревилля и метод условного градиента минимизации обобщенной невязки в форме некоторого квадратичного функционала, условно названного в данной работе методом А.Н.Тихонова (Рис.4).

Возможности каждого из методов проанализированы в широком диапазоне ошибок определения индикатрисы. В конечном итоге полу-. чено, что при наличии случайных ошибок измерений > 5...7 X необходимо задание хорошего начального приближения для отыскиваемой ФРКР. В диссертации, на основании проведенного исследования, его рекомендуется делать по результатам наложения экспериментально полученной индикатрисы на сетку модельных индикатрис (Рис.5), рассчитанных заранее в данной работе для 27 типичных ФРКР.

СДК можно определять без предварительного отыскания ФРКР. В диссертации были сравнены известные для этого метод интегрирующей диафрагмы А.Г.Голубева и В.И.Ягодкина (ЦИАМ), а также метод

обобщенной индикатрисы Доббинса. Последний, как раз, и использовался в данной работе. Он хорош тем, что после получения индикатрисы СДК быстро находятся из простого соотношения, в которое необходимо подставить, всего лишь угловую ширину индикатрисы на уровне снижения интенсивности в 10 раз по сравнен™ с ее значением на оптической оси. Кроме того, информация по индикатрисам не теряется, а параллельно накапливается и при необходимости может использоваться для дополнительного анализа (Рис.5) ФРКР. В ходе исследования на семействе модельных функций распределения обнаружена возможность снизить в - 1,5...2 раза неопределенность в значениях отыскиваемых СДК по сравнению с тем, что дает исходная методика Доббинса (Рис.5), если пользоваться уровнем не 10-ти, а ~15... 20-ти' кратного уменьшения интенсивности рассеянного света.

В действительности, в фокальной плоскости наблюдается дифракционное поле, "зашумленное" паразитными засветками и распределениями, от которых предварительно необходимо избавиться, йз--за недостатка информации по этому вопросу пришлось предпринять дополнительное исследование, в том числе, • и с использованием макетов и численных моделей аэрозольных частиц. В конечном итоге, для одной из главных помех, выглядевшей в форме регулярных "провалов" интенсивности вблизи оптической оси, предложены способы их объяснения и устранения. Сделаны также оценки влияния и других искажений, в частности, связанных с неоптималькой величиной диафрагмы фотоприемника и с неучетом распределения капель по скоростям как на вид ФРКР, так и на величину СДК.

Четвертая глава посвящена исследованию качества распиливания топлива форсунками типичных для МГГД схем и размеров, созданию модели для их расчета и обработки с ее помощью данных по мелкости распыла.

Получено, что при уменьшении диаметра сопла с1с ниже -0,5 мм у шнековой центробежной форсунки СДК перестают уменьшаться, а при малых перепадах дРт сильно увеличиваются, что связано с ростом влияния сил поверхностного натяжения и вязкости топлива (Рис.6). При определенном сочетании перепадов давлений топлива и вспомогательного высоконапорного воздуха наблюдается локальное увеличение СДК (Рис.7). В форсунке с 2-мя завихрителями СДК уменьшаются на -25X при закрутке воздушных потоков в одну сторону и на -45 % - в случае встречной закрутки (Рис.9).

На основе теории центробежной форсунки Г.Н.Абрамовича и её уточнения для вязкой жидкости Л.А.Клячко, а также накопленных данных по расходный характеристикам и СДК была разработана расчетная модель и соответствующая вычислительная программа "Форсунка". Общий перепад давления на форсунке ДРТ распределяется по элементам ее проточной части последовательными приближениями, что связано с необходимостью учета гидравлических потерь в зависимости от режима течения. В заключении рассчитываются толщина пленки жидкости на выходе из сопла 1пл. скорость ее истечения у\'с, а также критерии Рейнольдса Рес = исс!срж/|1ж и Вебера Ие = рв^Лп-л/бж. а затем коэффициент расхода и начальные СДК - (с1з2)0 с погрешностями порядка, соответственно, и б.ЗХ (с1с = 0,34...0,72 мм, ЛРт - 20. ..600 кПа, ^л = 50... 130 мкм,

= 5...30 м/с и Ке = 0,1...3). В расчет начальных СДК вносятся, при необходимости, поправки на пневмораспыл, полученные на основе экспериментов данной и других работ, а также на условия в КС.

Пятая глава посвящена исследованию блияния качества распиливания топлива пневмомеханическими форсунками на характеристики исследуемых КС МГТД 1-го типоразмера.

Модель-прототип Лефевра, выбранная для исследования характе-

ристики "бедного" срыва пламени, перед использованием была переработана: химическим реактором моделировалась только ЗЦ, поскольку перед срывом остаточное пламя занимает только часть ПЗ и, в основном, лишь ЗЦ. Кроме того, потребовался перевывод основных выражений с целью их проверки и лучшего понимания ключевых констант (типа А"», см. (1)), по которым рекомендуется осуществлять накопление статистики при обработке экспериментальных данных. В результате основное выражение приобрело вид:

1 . 1 ЕХР(ТК/300) ХЭФф(Ни/г0) Ск.тах = -о х --— х ---тг- х -5- .

А"» • Iпз ( Св. ис \ Тк~ <1з.2~

\ 1 к 432

:> " (

РкП,Тк'Vri2

(где. с1з2 - средний диаметр капель по Заутеру), отличающийся от прототипа иной структурой сомножителей, что было сделано для более четкого выделения влияющих фактороз, а также увеличенными на единицу показателями степени у относительного расхода воздуха через первичную зону 1"пз и У температуры Тк. Коэффициент эффективности испарения аэ®ф как и в прототипе рассчитывается с учетом формы ФРКР. Дополнительно, для никак неопределенной в прототипе, "эмпирически получаемой" константы А"» также было получено теперь выражение:

1?сМ-Ни Узи0-85 СГпр/р)3ц

А". = С--х - х -----( 2)

1-о Хт.зц ("Спр/р)пз

через ряд характерных величин и соотношение времен пребывания Тпр в ЗЦ и во всей ПЗ. Тем самым устанавливаются как бы пропорции между этими зонами, чем, к примеру, могут отличаться малоразмерные камеры от камер большой размерности и это дает возможность для их сравнения. Капли выполняют роль источников парообразного топлива, причем, в ЗЦ объемом Узц попадает некоторая доля Хт.эц от всего топлива, испаренного в ПЗ. Так как не все капли за время пребывания в ПЗ успевают испариться, то

из-за остатков топлива в них фактическое обеднение смеси в таком "гетерогенном" реакторе наступает раньше (то есть, - аналогичный прототипу подход).

Математическая модель для расчета величин, - входящих в (1), включает дополнительно уравнения: 1) для параметра нагрузки реактора (ЗЩ на предсрывном режиме; 2) для расчета массы топлива, испаренного в ПЗ; 3) материального баланса веществ в реакции топливо -» продукты сгорания; 4) бимолекулярной химической реакции в форме Аррениуса; и 5) подогрева ЗЦ от сгорания топлива. На основе выражения (1) и перечисленных уравнений разработаны алгоритм и вычислительная программа "Камера + Срыв" с подключением к ней разработанной программы "Форсунка".

' Последующая обработка данных для 26-ти модификаций исследуемой КС (Рис.И) в совокупности с данными Лефевра по КС двигателей средней и большой размерности позволила отметить вполне логичную тенденцию (Рис.12), а именно: чем меньше размеры камеры, тем все больше становится эмпирическая константа А"» и, согласно используемой модели, - хуже должна быть характеристика срыва пламени (см. (1) и Рис.И), что, в целом, подтверждается сложившимися на рабочий процесс представлениями.

Таким образом, с данными для КС МГТД 1-го типоразмера получена недостающая информация. С ее появлением КС всех размерностей получили единую обобщающую зависимость (Рис.12) для оценки положения "бедной" границы характеристики срыва пламени.

Поскольку расчетная модель первичной зоны КС включает достаточно подробную модель центробежной форсунки (ЦБФ) и поскольку весь алгоритм запрограммирован для вычислений на ЭВМ, появляется возможность на стадии начального проектирования или экспериментальной доводки малоразмерной КС априорно оценить влияние качества распыла топлива, следовательно и конструкции топ-

ливных распылителей на срывную характеристику. Результаты такой оценки для исследуемой КС показаны на Рис. 13 * 16.

Расположенные в совокупности массивы экспериментальных и расчетных данных по СДК и «к.шах (Рис.11,16), подтверждают возможность использования СДК в качестве обобщающего параметра для «к.шах. что подкрепляется, также, сведениями из некоторых других работ (Рис.16).

Коэффициенты влияния СДК, рассчитанные по разработанным моделям первичной (ГО) и циркуляционных (ЗЦ) зон как однородных двухфазных реакторов в предположении о лимитирующей роли процессов испарения капель и с использованием эмпирически полученных констант А"» и др., оказались в диапазоне Kd * 1,4...1,7 (Рис.14). (Кстати, это в полтора-два раза меньше, чем коэффициенты влияния, которые можно рассчитать по данным того же Лефев-ра и других исследователей, но для других характеристик.) При оценке Kd расчетом только по экспериментальным ак.тах и экспериментам но-расчетным d32 Kd 0,7... 1,4 (Рис.10). Причем графики на Рис.10 строились в зависимости как от величин СДК, так и общего числа капель, то есть среднего относительного межкапельного расстояния L/гзг (гэг = ^зг/Й), вычисляемого при тех же предположениях - однородного распределения капель во всей ПЗ и с учетом уменьшения их в размерах по причине испарения.

Обращает на себя внимание внешний вид зависимостей ак.шах/Рк-= <f( L/гзг) (Рис.10), имеющий сходство с хорошо известными для специалистов характеристиками по полноте сгорания или окислам азота для потока капель, или по коэффициентам сгорания отдельных капель в обдувающем потоке, ^построенных в функции от иных параметров режима горения. Эта схожесть вместе с четко обозначившимися на Рис.10 характерными участками, дает возможность достаточно обоснованно судить о реализации того или иного меха-

нисма горения. Перегибы графиков на Рис.10 соответствуют критическим величинам СДК - сЗКр,которые, будучи построенными в зависимости от приведенной скорости хк (Рис.15), отделяют область с лимитирующей ролью процессов испарения капель №2 > с1кр) от области, где эта роль несущественна (с1з2 < с1Кр). Таким образом, в соответствие с имеющимися представлениями по горению распыленного жидкого топлива меньшие величины коэффициентов влияния СДК на левых ветвях зависимостей ак.тах/Рк = Ь/гзг) (Рис.10) можно приписать режиму с преобладанием горения по гетерогенной форме; далее идет переходная область (участок с пунктирными линиями) , в которой существенным является уже вклад горения вокруг "топливных" неоднородностей и в промежутках между ними (Ка уменьшается): а далее, еще правее (Рис.10), на пологом участке с Ь/гзг = 60...140 преимущественно реализуется горение в свободном от капель пространстве (Ка уменьшается еще больше и горение переходит в подчинение процессам турбулентного обмена). При обратном ходе вдоль зависимости «К.тах/Рк = Т(Ь/гзг) (справа-налево) происходит обратная смена форм горения, но, как показывает расположение экспериментальных точек в переходной области вдоль пунктира, - уже с небольшим гистерезисом, так как происходит перестройка режима горения с одной преимущественной его формы на другую.

Знание зависимости акр = ПАК) и величин Ка в совокупности с данными по А"*-Гпз = Г(Бв.кс) позволяет приступить к выработке требований по мелкости распыла для условий конкретной КС.

Таким образом, мелкость распыла, интегрально выраженная через средние диаметры капель, оказывает 'сложное и существенное влияние на рассмотренную характеристику "бедного" срыва пламени. Результаты, полученные в данном расчетно-экспериментальном исследовании, позволили количественно оценить это влияние в яв-

ном виде для натурной малоразмерной КС (изделий, в частности, 25 и 51 МКБ "Гранит", г.Москва).

В тестой главе изложены рекомендации по практическому использованию результатов работы. Показано, что созданный инструментарий представляет собой аппаратурно-методический комплекс для исследования параметров распиливания топлива и может быть рекомендован для применения в промышленности и научных исследованиях. Полученные результаты по коэффициентам влияния СДК и по изменению константы А"* позволяют более четко сформулировать техзадание на проектирование форсунок МГТД с учетом требований по срыву пламени. Для определения СДК предлагается использовать уточненную в данной работе методику Доббинса, а ФРКР находить с использованием расчитанной сетки индикатрис и модельных ФРКР. ' ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Создана экспериментальная установка для испытания форсунок и фронтовых устройств ГТД. Установка оснащена лазерно-оптической системой и многоканальным сборником жидкого топлива для определения дисперсных и расходно-геометрических характеристик факела распыла.

2. Исследованы способы оптической и математической обработки результатов оптических измерений. В итоге создана методика определения СДК и ФРКР, оснащенная пакетом вычислительных программ.

3. Накоплена база данных по дисперсным и расходным характеристикам форсунок КС МГТД (изделий 25, 51, 83, 9И56 и др.).

4. Разработана поэлементная модель форсунки и соответствующая ей вычислительная программа, позволяющие рассчитывать начальные СДК с отличием не более 7 а от экспериментально получаемых.

5. Разработана математическая модель первичной зоны КС ГТД, учитывающая расходные и дисперсные характеристики пневмомеханических форсунок, и соответствующая ей вычислительная программа

- 19 - .

для получения сценок влияния СДК на характеристику "бедного" срыва пламени. В результате ее применения для КС МГТД 1-го типоразмера получены:

- значения эмпирических констант (А"«) используемой расчетной модели и общая тенденция изменения срывной характеристики для КС ГТД всего диапазона их размерностей;

- значения коэффициентов влияния СДК на положение границы "бед-•ного" срыва пламени Kd - 0,7...1,4.

б. Полученные результаты переданы в МКБ "Гранит" (г.Москва) и другим заказчикам и используются в процессе доводки малоразмерных КС. Созданная установка, аппаратурное и программно-методическое обеспечение внедрены в учебный процесс в СГАУ.

Основное содержание диссертации опубликовало в следующих работах:

1.Диденко A.A. Исследование характеристик топливного факела // Молодые ученые и специалисты - производству: Тез. докл. обл. научн.-техн. конф.- Куйбышев, нояб., 1990г.- Куйбышев: КуАИ, 1991.-С.21

2.Диденко A.A. Экспериментальная установка и средства диагностики для определения параметров факела распыленного топлива // Теория и практика комплексной оптимизации радиационного теплообмена и горения при сжигании органических топлив в энергетике и промышленности: Тез. докл. VII Всесоюзн. конф. по радиационному теплообмену, Ташкент, 21-23 окт. 1991г.- Ташкент, 1991.-С.165-166.

3.Установка для определения характеристик двухфазных потоков / Кныш Ю.А., Ланский A.M., Диденко А.А и др.// Информационный листок о науч.-техн. достижении № 91-67, Куйбышевский МТД НТИ и П,1991. -4с.

5.Диденко A.A. Экспериментальная установка для исследования ха-

ресивер

octeuyi луч "

оотоприемник

Рис.1. Установка для испытания форсунок ГТД

МТОЖЫЭД МАГИСТРАЛЬ

ФДкеД РАСПЫ^

воздух топливо

оЬпнсти с ешсо-киц рлоидрм ^ топлиая 1

■ КОЛЛИМАТОР

флквл

РАСПЫЛА

„ ,„„„„„„„ , ■'/>'* НО ГО~к\ Н А ЛЬ НЫ Й

клпельницы // I сборник

Рис.2. Оптическая система и многоканальный сборник

аро&нн плотности , орошения о.т ,"/(livrr)

Рис.3. Пример поля распределения топлива

с 0.« tii

втн.ео.

M

m

-1-1

fesOK/M

Форсунка

иоШьные

Л

Г4

f дРр,кПА

«) 0, f

л о JloôSuHCy-ь \ ja \ по СГАУ~*~

0,02 _ ■0

С =26« |

I NS

С = 2,85 \ ^

_J_I_L х

9 11 \ <5

Рис.4. Отыскание ФРКР методом минимизации невязки

cL9=c-

710.32 -Л-изл

■В,(ад

Рис.5. Определение 632 методом обобщенной индикатрисы и идентификация вида ФРКР

°'6

а с-{(г,и

Рис.6. Влияние изменения диаметра сопла с!с центробежной форсунки

дР8* »лРт

:т=Ч00 кПА |-

450^

«0 450 200

лРв,КПА

Рис.7. Влияние подвода вспомогательного воздуха к корню факела распыла

пгц, /о Dj/o

Рис.8. Влияние наличия коническо- Рис.9. Влияние направления зато насадка на торце эавихрителя крутки воздуха в двухконтур-

ной форсунке

Рис.10. Влияние СДК на приведенную характеристику срыва с учётом среднего межкапельного, расстояния ЬУгзг

о № гас seo т

Kpex.nc*11

Рис.11. Определение эмпирическом константы А"» на основе обработки данных по срыву пламени

О 20 40 ВО 80

модификации б&.кс, КГ/с КС МГТЛ

Рис.12. Тенденция изменения^ А"»-Гпз• определяющих характеристику срыва пламени

р,03 ¿K=0j3 0,49

,, . , различные г у центра1ежныв ФОРСУНКИ

Рис.13. Расчётная оценка влияния изменений в топливном распылителе

«3 'НклЧО3 1*%

н

Рис.14. Коэффициенты влияния СДК Kd (tnp - const)

0.1

0,2

0.1

0/<

Л \ _ \ \ \ * —j

А А* р" / ч 0,57

/ 1 4

/ 1 1 ^v

20

60

30

40 ¿уф

Рис.15. Изменение (с1з2)кр в Рабочем диапазоне скоростей

25 30 м-к-тах.

Рис.16. Влияние СДК на характеристику "бедного" срыва пламени Лк.тах

рактеристик распиливания жидкого топлива// Газотурбинные двигатели и установки: Тез. докл. Всесоюзн. научн. конф., Москва, 19-21 нояб. 1991г. -М: МГТУ, 1991,-С.145.

6. Диденко А. А, Епишев М.Н. Исследование параметров топливного ' факела пневматических форсунок //(Там же), -С.142.

7.0 возможности снижения выброса бенз(а)пирена с отработавшими газами ГТУ авиационного типа при использовании пневматического распиливания топлива./ Лукачев С.В..Абрашкин В.Ю.,Анисимов М.Ю..Диденко A.A..Орлов М.Н.//(Там же),-С.146.

8.Диденко A.A..Ланский A.M. Исследование распиливания жидкого топлива пневмомеханическими форсунками./ Самарск. гос. аэрокосм. ун-т. -Самара, 1992. -29с. -Деп. в ВИНИТИ 11.02.93.

№ 353-В93.

9.Диденко A.A..Ланский A.M. Расчетно-экспериментальное исследование характеристик бедного срыва и запуска КС ГТД с учетом качества распиливания топлива пневмомеханическими форсунками.В сб.:Тезисы докладов на научн.-техн.семинаре по внутрика-мерным процессам в энергетических установках, струйной акустике, диагностике. Казань, КВВКИУ PB,1993,-С.62-63.

10.Диденко A.A., Ковылов Ю.Л. Стенд и аппаратурно-методическое обеспечение для определения характеристик распиливания жидкостей. В сб. : 1 Поволжская НТК "Научно-исследовательские разработки и высокие технологиии двойного применения", (тез. докл.). - Самара: Самарск. гос. аэрокосмич. уни-т (СГАУ), 1995.

11.Диденко A.A., Лукачев C.B., Ковылов Ю.Л. Измерение размеров капель топлива с использованием оптического метода малоуглового рассеяния. В сб. : Межотраслевая НТК "Совершенствование методов и средств стендовых испытаний ВРД и их узлов" (тез. докл. ).-М. : ЩАМ, 1995.

12.Диденко A.A., Ковылов Ю.Л. Измерение мелкости распыливания жидкого топлива с использованием оптического метода малоуглового рассеяния. В сб.: V Научно-практический семинар "Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС" (тез. докл.). - Владимир: ВГПТУ, 1995.

13.Диденко A.A., Ковылов Ю.Л., Цыганов A.M. Измерение характеристик распыливания жидкого топлива форсунок малоразмерных ГТД.В сб.: VIII Межгосударственный научно-технический семинар "Проблемы экономичности и эксплуатации ДВС" (тез. докл.).-Саратов: Саратовский государственный arpo-инженерный университет (СГАУ), 1995.

Подписано в печать -/£ //■ 96'. Формат 60*34 1/24

Офсетная печать. Усл.п.л. 1.5 Уч.-изд.л. 1.5. Зак. Ы ОБ. Тираж экз. г.Самара, СГАУ, Ульяновская, 18.

Участок оперативной печати.