автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Исследование и доводка характеристик кольцевой камеры сгорания ГТД наземного применения на основе анализа надёжности её работы

На правах рукописи

НИЗАМУТДИНОВ Руслан Мунирович

ИССЛЕДОВАНИЕ И ДОВОДКА ХАРАКТЕРИСТИК КОЛЬЦЕВОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГТД НАЗЕМНОГО ПРИМЕНЕНИЯ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА НАДЁЖНОСТИ ЕЁ РАБОТЫ

Специальность 05.07.05 - "Тепловые электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 2003

Работа выполнена в Казанском государственном техническом . 1 университете.

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Мингазов Б.Г.

доктор технических наук, профессор Кочергин A.B.

кандидат технических наук, доцент Харитонов В.Ф.

Ведущее предприятие: ОАО КПП "Авиамотор"

Защита состоится 2003 г. в часов на заседании

Диссертационного совета Д 212.079.02 Казанского государственного технического университета (420111, Казань, ул. К. Маркса, 10, КГТУ имени А.Н. Туполева, зд. №1).

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке университета. «

Автореферат разослан иялиА 2003 года

Учёный секретарь Диссертационного совета кандидат техничекских наук, доцент

Каримова А.Г.

Ты&ъ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Совершенствование и перспективы развития газотурбинных двигателей (ГТД) на современном этапе определяются требованиями надежности, экологии и экономичности их работы, которые в значительной степени зависят от рациональности конструкции и организации рабочего процесса в камере сгорания (КС) ГТД. Это утверждение особенно актуально для авиадвигателей, адаптированных к условиям наземного применения и работающих на природном газе в качестве силовых приводов газоперекачивающих агрегатов (ГПА) или генераторов, вырабатывающих электрический ток.

Перевод двигателя с жидкого топлива на газообразное приводит к существенным изменениям организации рабочего процесса в камере сгорания. Ноли оставить конструкцию камеры без изменений, учитывающих особенности горения природного газа, это может привести к преждевременному выходу её из строя из-за нерациональной организации рабочего' процесса в ней. Данное обстоятельство обуславливает работу КС в нерасчётном режиме, перегрузке отдельных её элементов и быстрому их разрушению. Вследствие чего возникает настоятельная необходимость в исследовании и доводке характеристик КС при её работе в условиях наземного применения. Целью таких исследований, как правило, является обеспечение ресурсных, экологических и экономических показателей работы камеры сгорания.

При доводке реальных конструкций одной из основных задач является статистическая обработка данных об отказах, так как анализ результатов обработки позволяет определить закономерности проявления характерных дефектов исследуемой конструкции, а, также, направления её дальнейшей модернизации. Поэтому статистическая обработка, а также определение показателей надёжности и прогнозирование безотказной работы должны играть роль необходимого инструмента при доводке камеры сгорания.

Так как на моторных КБ, связанных с серийными предприятиями, доводочные работы выполняются на основе собственного прототипа КС путём анализа накопленных экспериментальных данных, то на настоящий момент здесь ощущается острый недостаток надёжных, простых для практического использования, физически обоснованных расчетных методик и моделей, имеющих привязку к конкретной конструкции объекта модернизации.

В связи с этим, представляет практический интерес возможность улучшения основных характеристик камеры сгорания, таких как неравномерность температурного поля и выделение токсичных веществ. Тогда основной задачей моторостроительных предприятий становится определение направлений модернизации существующих конструкций КС. В данном случае, одним из эффективных мероприятий, как показывает опыт, является управление процессом горения топлива за счёт регулирования, или же правильного распределения, подачи "вторичного" воздуха по длЬце.жар0щнЬтвд&шайеры.

сиьлиотека |

С.Петербург ¡, 4) ОЭ Ш ¿¡лкт/О]!,

Очевидно, что расширение и углубление экспериментально-теоретических исследований процессов происходящих внутри камеры при переводе её на газообразное топливо, систематизация различных подходов и их модернизация, наряду с использованием статистического материала по отказам и оценке надёжности работы КС, является актуальной задачей.

Цель диссертационной работы.

Выявление закономерностей проявления характерных дефектов камер сгорания ГТД наземного применения и оценка надёжности их работы на примере двигателей семейства НК; исследование характеристик камер сгорания различного конструктивного исполнения для определения мероприятий по повышению их надёжности; составление расчётной методики оценки температурной неравномерности газового потока на основе моделирования процесса смешения в условиях жаровой трубы.

Задачи диссертационной работы.

- выявление причин возникновения основных дефектов кольцевой камеры сгорания ГТД наземного применения на примере камер сгорания двигателей НК-16СТ, НК-16-18СТ;

- создание методики определения надёжности КС на основе вероятностно-статистического анализа отказов, позволяющей определять надёжность

на каждом этане доводочных работ; *

- проведение экспериментальных.исследований влияния распределения "вторичного" воздуха по длине жаровой трубы КС на температурную неравномерность газового потока и эмиссию токсичных веществ; •

- разработка физической картины смешения в условиях жаровой трубы кольцевой камеры сгорания;

- создание расчётной методики оценки температурной неравномерности газового потока в камере сгорания на основе моделирования процесса смешения струй и газового потока в условиях жаровой трубы.

Объектом исследования является кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя семейства НК наземного применения, используемого в качестве силового привода газоперекачивающего агрегата.

Метод исследования расчётно-экспериментальный, с применением вероятностно-статистической обработки отказов и физико-математического моделироиания процессов смешения в жаровой трубе (ЖТ) камеры сгорания с использованием полуэмпирических зависимостей.

Научную новизну диссертационной работы представляют:

1. Новые экспериментальные данные по влиянию распределения "вторичного" воздуха по длине жаровой трубы КС на формирование полей температур и эмиссионные показатели токсичных веществ на выходе камеры, а именно, окислов азота N0* и оксида углерода СО.

2. Методика оценки надёжности по распределению отказов камеры сгорания и их классификация.

3. Методика оценки температурной неравномерности газового потока, составленная на основе моделирования процесса смешения основного газового потока и струй "вторичного" воздуха с учетом изменения скоростей по длине жаровой трубы КС.

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждена сопоставлением данных различных работ сходного характера с данными расчетов и результатов экспериментального исследования перераспределения "вторичного" воздуха по длине жаровой трубы КС, а также применением стандартных и широко апробированных методов измерений и приборов.

Теоретическая значимость работы:

- обобщены и проанализированы статистические данные отказов КС газотурбинных двигателей-представителей семейства НК, проведена оценка надёжности камер и выявлены закономерности возникновения характерных отказов, предложена классификация отказов по причинам их возникновения для применения в условиях моторных КБ на серийных предприятиях-изготовителях;

- предложена расчётная методика определения температурной неравномерности газового потока в камере сгорания на основе моделирования процесса смешения в условиях жаровой трубы;

- экспериментально подтверждена возможность оптимизации распределения подачи "вторичного" воздуха по длине жаровой трубы, позволяющая значительно уменьшить выбросы вредных веществ (СО и Ж)х).

Практическая значимость работы:

- внедрение мероприятий повышения надёжности и увеличения ресурса КС двигателя НК-16-18СТ, а также обеспечения удовлетворительных параметров токсичности указанного двигателя на ОАО КПП "Авиамотор";

- на основе анализа статистических материалов по отказам КС проведена классификация отказов кольцевой камеры сгорания и выявлено их влияние на надежность её работы, составлена обобщающая методика обработки статистических данных на ЭВМ;

- разработанная на основе физико-математического моделирования процессов смешения в жаровой трубе методика расчёта позволяет оценить влияние ряда режимных и конструктивных параметров на температурную неравномерность газового потока и скорректировать изменения конструктивного облика КС, сокращая время и затраты на эксперимент;

- основные положения диссертационной работы и предложенные методики внедрены на ОАО КПП "Авиамотор" и, в качестве учебных материалов, для проведения практических занятий по курсу "Надёжность ВРД".

На защиту выносятся:

- результаты экспериментального исследования влияния распределения "вторичного" воздуха на процессы смешения в КС и выбросы токсичных веществ (окиси углерода СО и окислов азота N0*).

- методика расчета температурной неравномерности газового потока в КС, составленная на основе моделирования процесса смешения струй и сносящего потока газов в условиях жаровой трубы камеры сгорания ГТД;

- результаты параметрического анализа изменения неравномерности температурного ноля и влияния, оказываемого на неб конструктивными и режимными параметрами камеры сгорания.

Апробация результатов работы.

Основные результаты работы докладывались на Всероссийской НТК "Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей", (Самара,

2000), Международной НТК, посвященной памяти Н.Д. Кузнецова, (Самара,

2001), XIV Всероссийской межвузовской НТК "Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология", (Казань, 2002), Всероссийской НТК авиационных предприятий России, (Казань, 2002).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано восемь печатных работ.

Структура и объём диссертации. Основная часть диссертационной работы изложена на 125 страницах машинописного текста, иллюстрируется 90 рисунками и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (из 65 наименований), пяти приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность экспериментально-теоретических исследований внутрикамерных процессов наряду с анализом надежности работы КС на основе вероятностно-статистической обработки данных но отказам применительно к доводке камер сгорания ГТД наземного применения, обусловленной ужесточением требований к надёжности, экономичности и экологичности их работы.

В цервой главе дается краткая характеристика внутрикамерных процессов. Приводится классификация математических моделей камер сгорания и краткий обзор существующих моделей и методов расчёта, предлагаемых для проектировочных и доводочных работ в условиях моторных КБ, сотрудничающих с серийными предприятиями-изготовителями.

В конце первой главы сформулированы основные цели и приоритетные задачи проводимого расчётно-экспериментального исследования.

Во второй главе показано, что в существующих на настоящий момент методиках расчёта КС вопросы оценки надёжности и предшествующая ей обработка статистических данных, практически, не рассматриваются. Обработка статистики несёт лишь функции конечного анализа или прогноза на неопределённый срок эксплуатации, тогда как оценка надёжности должна проводится на каждом этапе доводочных работ. В связи с вышесказанным, приводится описание вероятностно-статистической методики, реализованной на ЭВМ, которая позволяет: проводить анализ характерных дефектов, присущих кон-

кретной камере сгорания, определять и прогнозировать надёжность ей работы до и после модернизации конструкции в ходе доводочных испытаний, вести статистику наблюдений за парком эксплуатируемых двигателей.

Проведена обработка статистики отказов газотурбинных двигателей наземного применения НК-16СТ и НК-16-18СТ, работающих на газообразном топливе.

Анализ показал (рис. 1), что в настоящее время досрочный съём двигателей (д.с.д.) с эксплуатации на 60% обусловлен дефектами КС (ДКС), 15% относятся к дефектам компрессора. (ДК), а остальная часть, почти в равных пропорциях, приходится на дефекты турбины (ДТ), негерметичность (НГ), появление стружки в масле (СМ), повы шенную вибрацию (ПВ), заклинивание роторов (ЗР) и единичные дефекты (ЕД).

Рисунок 1. Доля проявления отказом но конкретным дефектам узлов двигегсля к их общему числу.

Рисунок 2. Характерные дефекты камеры сгорания двигателя ПК 16СТ.

Следует отметить, что дефекты турбины, по большей части повреждения сопловых и рабочих лопаток первой ступени, объясняются выходом из строя элементов КС.

Обработка статистики, отдельно по отказам камер сгорания исследуемых двигателей, позволила выявить характерные дефекты данного узла и закономерности их проявления.

Для двигателя НК-16СТ (рис. 2) ос новная доля отказов КС (60 %) происходит по причине действия повышенных динамических нагрузок (ПДН) на элементы жаровой трубы КС, что подразумевает под собой растрескивание и разрушение кожухов, колец, смесительных патрубков подвода "вторичного" воздуха в зону разбавления.

Повреждения головочной части, обусловленные локальным воздействием высоких температур (JIT), а именно, прогары элементов фронтового устройства, приводят к 20% отказов. Почти 9% приходится на отказы турбины, связанные с повышенной неравномерностью

(Н) на выходе КС. Остальная часть ОТ- Рисунок 3. Гистограмма интенсивности носится К отказам, подпадающим под отказов x*(t) группы ИМИ по времени.

ОД»)

; о.оооз

ода». -

g § 8 I

i ï 8 I I I I i

Время, чм

0,0005 •

13000 Время, чес

категории: дефект сборки (ДС), повышенные монтажные напряжения (ПМН), ослабление клепочного соединения (ОКС), заклинивание телескопического соединения камера-турбина из-за отсутствия возможности рабочего перемещения (ОРП) при • тепловом расширении.

Из гистограммы интенсивности отказов группы ПМН (рис. 3) видно, что отказы происходят по мере наработки двигателя, практически, с одинаковой интенсивностью. Такое протекание X,-характеристик соответствует внезапным отказам, связанным с несовершенством конструкции изделия. Уровень интен- Рисунок 4. Изменение интенсивности отка-сивности отказов, в таком случае, мож- зов Х*(0 группы ЛТ по времени наработки, по снизить путем введения конструктивных мероприятий.

Опасность возникновения отказов группы ЛТ (рис. 4) резко возрастает в диапазоне наработки двигателя I = (13000-45000) часов. Это обстоятельство указывает на то, что при наработке двигателя около 13000 часов необходимо проведение регламентных работ с ремонтом и заменой износившихся элементов. В соответствии с теорией надежности аппроксимация таких X-характеристик возможна с помощью нормально-экспоненциального закона распределения вероятности безотказной работы.

Вероятность безотказной работы КС двигателя НК-16СТ резко понижается с увеличением времени наработки в диапазоне г = (8000-10000) часов (рис. 5). Такое протекание кривой вероятности объясняется возникновением большого количества отказов, связанных, в основном, с разрушениями кожухов жаровой трубы, а затем, прогаров элементов головочной части камеры.

,, г. Рисунок 6. Характерные дефекты камеры

Схожая картина наблюдается и для сгорУания де^,, 16ЛСТ.

камеры сгорания двигателя НК-16-18СТ

(рис. 6), конструкция которой отличается от НК-16СТ иным фронтовым устройством, количеством поясов отверстий и их диаметрами в первичной зоне.

> \

ч

Ч

10000 15000 Время, час

Рисунок 5. Изменение вероятности безотказной работы по времени (статистика).

0.М4

0,1)5

0,03

ИМИ 0141

Дефект

Вместо отказов фронтового устройства появились отказы, обусловленные заменой материала задних кожухов жаровой трубы на более жаропрочный (РКЛР), имеющий иной коэффициент линейного расширения.

Возникновение отказов КС двигателя НК-16-18СТ характеризуется одинаковой интенсивностью по мере наработки (рис. 7) и соответствующим протеканием кривой изменения вероятности безотказной работы (рис. 8).

Анализ статистики отказов и характери- ~ т-

г 1 Рисунок 7. Гистограмма интенсивности стик надежности позволяет наметить воз- отказов группы ИМН по времени

можные направления модернизации камер наработки, НК-16-18СТ.

сгорания и позволяет сделать следующие

выводы:

- необходима модернизация жаровой трубы и изменение конструкции "карманов" (патрубков подвода "вторичного" воздуха), как элементов, повышающих опасность возникновения отказа КС;

г следует обеспечить понижение температуры стенок жаровой трубы камеры сгорания в зоне смешения, чтобы исключить местный перегрев, вызывающий появление трещин и разрушение кожухов;

- в связи с необходимостью изменения конструкции жаровой части следует разработать мероприятия по перераспределению "вторичного" воздуха по длине жаровой трубы камеры сгорания, как способа оптимизации процессов смешения в ней.

Третья глава содержит описание экспериментального исследования, проведенного на отсеках и полноразмерных блоках камеры сгорания в стендовых условиях, в котором определялось влияние перераспределения "вторичного" воздуха по длине жаровой трубы КС на неравномерность температурных полей и эмиссию N0, и СО. В ней приведены: схема и описание экспериментальной установки; схемы модернизации КС; порядок проведения экспериментов; расчётные методики, используемые при обработке замеров значений основных характеристик камеры; результаты обработки и их анализ.

Конструктивно, перераспределение воздуха в камере было реализовано следующим образом. На рисунке 9 показаны схемы конструкции серийной камеры сгорания и вариантов её модификации. Отличия в конструкции серийной и модифицированных вариантов КС заключались в месте и способе

N

\

\

1000 2000 ЗОЮ «СО ЗОЮ

Рисунок 8. Изменение вероятности безотказной работы по времени Р*0), НК-16-18СТ.

подачи струй "вторичного" воздуха в основной контур. В ходе экспериментального исследования испытывались шесть вариантов конструкций жаровых ' труб: серийный и пять модифицированных.

Рис. 9 Варианты модификации крнструкции камеры сгорания двигателя НК-16-18СТ.

Модифицированные варианты отличались друг от друга количеством поясов основных отверстий подвода "вторичного" воздуха, диаметром указанных отверстий, наличием заглубляющих втулок (патрубков) в отверстиях.

Таким образом, в процессе исследования изменялись раскрытие зоны горения и глубина подачи поперечных струй в сносящий газовый поток. Поэтому, все результаты исследования, представленные графически, носят вид зависимостей конкретных параметров от коэффициента раскрытия зоны горения F3.r. (отношение суммы площадей I, П и III поясов отверстий к сумме всех отверстий камеры сгорания), коэффициента избытка воздуха а и глубины проникновения струй h.

Результаты экспериментального исследования позволяют сделать вывод, что распределение подачи "вторичного" воздуха по длине жаровой трубы камеры сгорания определяет её основные характеристики на выходе: полноту сгорания топлива, эмиссию токсичных веществ, окиси углерода (СО) и окислов азота (NO„), и неравномерность температурного поля.

На рисунках 10, 11 представлены графики зависимости приведённых концентраций Ссо и

C'j|0x от суммарного коэффициента избытка воздуха as для шести вариантов экспериментальной камеры сгорания. Значения эмиссии окислов азота и окиси углерода замерялись при помощи газоанализатора 344XJI01 (NOx) и газоанализатора "Testo 350" (фирмы "Тестотерм", Германия), далее обрабатывались по стандартным методикам.

Из графиков видно, что для всех пяти модифицированных вариантов камеры характерно значительное понижение эмиссии СО, которое на номинальном режиме работы (аЕ = 4,3) составило 50 ч- 70 % от величины эмиссии серийного варианта и снижение эмиссии окислов азота NOx, в среднем, на 10 -г 16 %. Наилучшие эмиссионные показатели имеют варианты третьей и четвёртой сборки.

По сравнению с базовым вариантом, на номинальном режиме работы камеры сгорания, для варианта 3-й сборки произошло снижение эмиссии окиси углерода СО » 80 %, а снижение эмиссии окислов азота NOx » 28 %. Для варианта 4-й сборки, при том же значении эмиссии окиси углерода СО, снижение эмиссии окислов азота NOx

составило » 63 %. Значения коэффициента F3.r. для третьего и четвёртого вариантов составляют, соответственно 0,67 и 0,99.

На рисунке 12 представлены радиальные температурные эпюры для шести вариантов экспериментальной камеры сгорания, построенные по численным значениям приведенной относительной температуры Т»1^. (значения температур

были приведены к значению Т = 1100 К).

По графикам видно, что перераспределение "вторичного" воздуха между зоной горения и зоной смешения позволило снизить температуру продуктов сгорания около внутренней и наружной обечаек жаровой трубы у всех вариантов сборки по сравнению с базовым вариантом и изменило

Концентрация СО1* на выхода ивсти вариантов камеры сгорания

8

& "

2 3 4 5 8 7 1

Коэффициент избытка воздуха

I дииыйчи№т —■—1-яобфа А—¿яобцжв —3-ясбфка

Л—4-яеберш • S-Hflgapti

Рисунок 10

Концентрация NO,1' на выходе шести вариантов камеры сгорания

'т

!зо

Коэффициент избытка »owyxa

—Гипидирмг —•—1.ядесрш —2-ясОоя» —л—5-яс0о(жя

—4>ясбори Я »ясДоряя

Рисунок 11

форму радиальной эпюры температур. Наиболее близкой к форме эпюры серийного вариантов является эпюра первого и второго вариантов. Эпюра третьего варианта нуждается в некоторой корректировке по второй и третьей термопаре, что можно осуществить постановкой в отверстия внутренней обечайки жаровой трубы втулок большей высоты. Эпюра четвёртого варианта отличается наибольшей неравномерностью и несоответствием формы по отношению к серийному варианту камеры.

На рисунке 13 представлен график зависимости полноты сгорания топлива г|Г5 рассчитанной для номинального режима работы камеры (а£ = 4,3+0,1), от относительной площади раскрытия зоны горения жаровой трубы Рзг. • Максимальное снижение т|г наблюдается у варианта 5-й сборки камеры сгорания, составившее 6,03% по отношению к базовому варианту камеры. Для варианта 2-й сборки это снижение составляет - 1,87%, для 3-й сборки -2,75%, а для варианта 4-й сборки - 2,40%. Напротив, у варианта 1-й сборки камеры Т)г увеличилась на 0,19% по сравнению с базовым вариантом.

На рисунке 14 представлен график зависимости коэффициента избытка воздуха аср., который соответствует срыву пламени при обеднении топливо-воздушной смеси, от относительной площади раскрытия зоны горения жаровой трубы р3г.. Из графика видно, что "срывные" характеристики у всех модифицированных вариантов камеры сгорания снизились незначительно, это не оказало существенного влияния на работоспособность КС. Максимальное снижение аср. наблюдается у варианта 5-й сборки камеры, которое составило 16,5% по отношению к базовому варианту камеры сгорания. Для вариантов 1-й и 3-й сборки это снижение составляет 6,6%, для варианта 2-й сборки - 4,7%, а для варианта 4-й сборки - 12%.

Радиальные температурные эпюры для шести мриянл» камеры сгорания

Приведенная относигелшяятмларатура

Рисунок 12

Полнота сгорания для шести вариантов камеры

068 К ж |оя || ом

вя

А *

<

ояо

О 90 Я0 70 ао 90 100 Раскрыт« зоны горения, %

♦ бммый ирюнг И 1-Яс4ор(1 д 2>я сбора • 9-я «берм

Рисунок 13

Бедный срыв для шести вариантов камеры

Л 103 1 100 Лм ао « ♦

А

Ж

1

0 50 во 70 ао во 100 Раскрыт« зоны горения, %

• БммыАщмант М1>яеб0{ка * 2-я сборка дЗ* своде 44-ясборм *в*овф»

Рисунок 14

Из анализа полученных экспериментальных результатов следует, что с перераспределением вторичного воздуха в зону горения происходит существенное снижение выбросов СО и некоторое понижение эмиссии N0*. Данное явление объясняется тем, что дополнительная подача окислителя в переобо-гащённую зону горения позволяет увеличить интенсивность выгорания топлива в этой области и существенно снижает выделение СО. С другой стороны, подача дополнительного количества воздуха приводит к снижению общей температуры газа в зоне горения и способствует интенсификации турбулентного перемешивания, обуславливая понижение эмиссии окислов азота Ж)х.

В то же время, чрезмерная подача дополнительного воздуха в зону горения приводит к нежелательным последствиям в виде "замораживания" реакций горения топлива в первичной зоне, что находит подтверждение в результатах экспериментальных измерений выделения СО и N0* для варианта 4-ой сборки экспериментальной камеры сгорания (рис. 9).

Общий анализ изменения эмиссионных характеристик в зависи- ^ мости от состава смеси в зоне!/«г горения можно провести из рас- 1,6 смотрения обобщённого графика, 1,2. представленного на рисунке 15. В области (Хзг < 1,0 образование Ж)х °'8' ограничивается отсутствием сво- 0 4 бодного кислорода в продуктах сгорания, а в области азг > 1,0 - °.2 снижением температуры газов. Воздействие этих двух противопо- ' °-8 1,8 ы»г

ложных факторов способствует Рисунок 15

появлению экстремальных значений образования N0* при изменении режима работы камеры по коэффициенту избытка воздуха а.

Дополняя сравнительный анализ испытанных вариантов камеры сг орания, можно сделать вывод, что режиму работы серийной камеры сгорания двигателя НК-16-18СТ соответствует область Б графика (рис. 15), где имеет место явление горения "богатой" топливовоздушной смеси при о,,. - 0,8 :1,2. Перераспределение "вторичного" воздуха позволило обеспечить наиболее выгодные условия для сгорания топливовоздушной смеси у варианта 3-ей сборки экспериментальной камеры сгорания (рис.9), для которого характерно наличие наиболее низких значений показателей эмиссии СО и N0* (область С графика) при достаточно высокой полноте сгорания (т1г " 0,96), и приемлемой окружной неравномерности (в = 0,19),.

Из результатов экспериментального исследования следует:

1. Распределение подачи "вторичного" воздуха по длине КС значительным образом влияет на процесс смешения в камере сгорания, что для газотурбинного двигателя, работающего на газообразном топливе, обуславливает эффек-

тивность сгорания топлива и, следовательно, величину эмиссии вредных веществ, а также показатели его надежности. Интенсивное охлаждение элементов КС и эффективность, процесса горения определяются рациональной организацией процесса смешения "вторичного" воздуха и основного газового потока в условиях жаровой трубы.

2. Так как перераспределение расхода "вторичного" воздуха по длине жаровой трубы кольцевой камеры сгорания ГТД является эффективным инструментом доводки реальных КС, то становится необходимым разработка таких методик расчёта, которые позволили бы учесть влияние ряда основных конструктивных и режимных параметров КС на процесс смешения в ЖТ.

Четвёртая глава содержит методику расчёта температурной неравномерности потока по длине и на выходе КС, разработанной на основании одномерной модели смешения турбулентных струй "вторичного" воздуха со

Пристеночное течение

Экран, создаваемый, втекающими струями в поперечном сечеици ЖТ

А-А

/////^/уУУУУ ..К

ЩЩ

й<А •

Рисунок 16. Расчетная схема течения газового потока в жаровой трубе камеры сгорания сносящим газовым потоком в условиях жаровой трубы с учётом изменения скоростей по её тракту.

Рассмотрены особенности течения в жаровой трубе камеры сгорания. Предложена физическая картина течения и взаимодействия закрученного потока с? "вторичным" воздухом в условиях рассмотренной жаровой трубы (рис. 16).

Известно, что механизмы переноса тепла и примесей в струе подобны, поэтому профили избыточной концентрации примесей и профили избыточной температуры схожи:

дс (6) Л?™ АС^

Этот факт обуславливает вывод о том, что при прогнозировании закономерностей формирования температурных полей можно использовать зависи-

мости, полученные для процессов смешения и распределения полей концентрации топлива.

Согласно принятой картине течения, смешение в жаровой трубе определяется двумя механизмами: турбулентной диффузией пристеночного воздуха и сильно турбулизированного в первичной зоне основного потока ("пассивное" смешение) и взаимодействием основного газового потока с экранами, создаваемыми поперечными струями, истекающими из основных отверстий ("активное" смешение).

Для схемы течения на рисунке 16 (сечение А-А) можно составить уравнение баланса расхода воздуха, смешивающегося с потоком газов в жаровой трубе следующего вида

=Gr + AGM+AGm, (1)

где Gr - расход газа основного потока, AG„ - расход газа идущего на "активное" смешение, AGen - расход газа на "пассивное" смешение.

Если условно разбить жаровую трубу на и поперечных зон по еб длине то уравнение (1) для /-той зоны запишется в обобщенном виде

Gr^G^+AG^+AG^. (2)

С целью получения аналитических зависимостей вводятся понятия коэффициентов активного и пассивного смешения, количественно характеризующих долю смешавшегося "вторичного" воздуха со сносящим газовым потоком в жаровой трубе

д^^.д^Д^. (3,4)

Gn-1 " Gn-l

Тогда запись уравнения баланса расхода газа принимает вид

Оп=Огм-(1 + Атп1+Ата1) (5)

Коэффициент "пассивного" смешения может быть определен из уравнения турбулентной диффузии для кольцевого источника радиуса /?0 в цилиндрической трубе радиуса Ятр функциональной зависимостью вида

W).

О, %

где /- местное соотношение газ-воздух; <7/- - расход газа через кольцевой источник; (?« - расход воздуха, проходящего через трубу; г- текущий радиус струи; Т0 - функция Бесселя нулевого порядка.

Чтобы учесть крутку в уравнении (6) присутствует параметр к, представляющий собой характеристический безразмерный комплекс

k =

= . (7)

4DTx

где коэффициент турбулентной диффузии для закрученного потока определяется выражением

йТ = 0,003(1 + В ■ ¡82<РУ',т1р, (8)

где ф - угол закрутки потока, В - коэффициент, учитывающий особенности конструкции фронтового устройства.

В отличие от течения газа в неперфорированной цилиндрической трубе постоянного сечения, в жаровой трубе камеры сгорания газотурбинного двигателя имеет место ступенчатый подвод "вторичного" воздуха по её длине, который определяется параметром раскрытия жаровой трубы

(9)

где h\ - площадь всех отверстий в жаровой трубе, F¡ - площадь отверстий i-того пояса отверстий, расположенного на расстоянии x¡ от точки отсчёта осевой координаты х длины камеры сгорания.

Последовательный подвод воздуха по длине смесительного устройства переменного сечения обуславливает разные значения скорости потока в сечениях, кроме того, скорости истечения воздуха из основных отверстий в различных сечениях, также, не одинаковы. Поэтому, при создания методики расчёта неравномерности температурного поля камеры сгорания ГТД, работающего на газу, из условий принятой картины течения (рис. 16) в головочной части жаровой трубы, были приняты следующие допущения:

1) газом, истекающим из кольцевого источника, является гомогенная смесь воздуха и топливного газа;

2) влияние закрутки потока определяется её влиянием на коэффициент турбулентной диффузии;

3) радиусом кольцевого источника принимается радиус зоны обратных токов.

Тогда, на основании принятых допущений, выражение для определения безразмерного комплекса к примет вид

К _ Rm_(10)

0,003 (l+teV)"'5*

а, соответственно, уравнение (4) для определения коэффициента "пассивного" смешения изменится следующим образом

, v ). (П)

тЛх,г)-А. " 01 1 -7-

' T*w»Ft(2KJL^ l )

где Ai - коэффициент пропорциональности.

Дия того чтобы количественно оценить процесс "активного" смешения, характеризующего процесс взаимодействия поперечных струй с закрученным сносящим потоком, воспользуемся схемой на рисунке 16, сечение А-А. Как видно из рисунка, втекающие из основных отверстий струи создают некоторое затенение проходного сечения, которое принято называть аэродинамическим экраном. При взаимодействии струй и потока происходит массообмен, причём величина эжектированного газа равна количеству воздуха струи, сме-

лившегося с потоком и пропорциональна площади экрана Рэ, скорости и плотности набегающего потока газов в г-том сечении жаровой трубы

вт=вп»РлРп1Гп. (12)

Площадь экрана, образуемого одним поясом отверстий, определяется уравнением

2

где V}/ - угол расширения струи, щ - количество отверстий в ¿-том поясе, й( -глубина проникновения струй г'-того пояса отверстий в поток.

Глубина проникновения находится из эмпирического уравнения траектории струи для случая < 0,5Ятр, без начального заглубления

\

х,

, 10,63

h' 0,3 + 0,415ГМ

(14)

!lL d,

Таким образом, коэффициент "активного" смешения будет определяться следующим соотношением

Дт ^ АО- = A^hXdo+lh^tg^yi, cosy ^ (15)

Gn-1 Rlpl

где Rmp - радиус жаровой трубы в i'-ом сечении.

Для больших глубин проникновения необходимо иное уравнение определения траектории струи, в котором учитывается наличие заглубляющего патрубка. Для этого случая предлагается следующее уравнение

A,. =a/'Sdl(Xir-^~- sinr + V (1б)

где q - p0WB2/prWr2 соотношение скоростных напоров струи и потока;

do, - диаметр отверстий подвода "вторичного" воздуха через г-тый пояс; h0i - начальное заглубление струи (высота патрубка подвода воздуха); Gn и Got-расходы газового потока и струи; у - угол втекания (от 0 до 90 градусов); а = 0,8 и п = 0.35 - эмпирические коэффициенты.

Степень смешения (относительное количество смешанного воздуха) определяется из уравнения вида

GT V М J где Gj; - суммарный расход газа через жаровую трубу; G, - расход через /-тый пояс отверстий; йфр - расход газа через фронтовое устройство; к ~ количество рядов основных отверстий.

Если степень смешения характеризуется распределением температуры, тогда неравномерность температур есть неполнота смешения © соотношением

© = 1-т, = 1-

О,

Дальнейшие преобразования уравнения (18) с использованием уравнения турбулентной диффузии для расчета смешения газового потока с "вторичным" воздухом в условиях ЖТ (б) и эмпирических подходов, описывающих структуру течения в первичной зоне КС, а также уравнение траектории оси системы круглых струй в потоке (14, 16), позволяют получить следующую зависимость

0 = 1 ~/<>л

1+ А,

Тг(х)У,Р,(х)е

¿,п,к,(х)соа <р

(19)

где Ап Аъ К- постоянные коэффициенты для данной КС; <Хфр - состав смеси за фронтовым устройством; А,- - глубина проникновения струи в поток; ¿ь и, - диаметр и количество 1-го ряда отверстий; ц - коэффициент расхода;

Рфр - относительная площадь фронтового устройства, =

Рт, - площадь жаровой трубы в /-м сечении; /0-функция Бесселя нулевого порядка; х - текущая координата длины камеры сгорания; г - текущее расстояние по радиусу, замеряемое от оси КС; Язог~ радиус зоны обратных токов.

Зависимость (19) позволяет учесть влияние, оказываемое на неравномерность температурных полей множества режимных и конструктивных пара-метров^ однозначно определяемых из условий работы и конструкции конкретной КС ГТД.

Влияние радиуса зоны обратных

I

м

ад

токов Язот на параметр 0, характеризующий неполноту смешения (неравномерность) газового потока в КС иллюстрирует график на рисунке 17. Протекание кривой изменения ® в зависимости от Язот / Яфр, где Яфр - это радиус фронтового устройства, характеризуется наличием максимума. Дан- Рисунок 17. Влияние радиуса зоны обратных ное обстоятельство говорит о том, что токов на температурную неравномерность существует такое значение отношения Язог/ ЯфР, при котором величина не полноты смешения основного потока и "вторичного" воздуха (неравномер' ность) максимальна.

0,4

У

и 1.6

Вэот/Пфр

На рисунке 18 представлен график, отражающий влияние глубины проникновения струй в сносящий поток на неравномерность в первичной зоне жаровой трубы камеры сгорания.

Следует отметить, что в этой области камеры сгорания струи оказывают на © гораздо меньшее влияние, чем фронтовое устройство. Однако, анализируя взаимное расположение кривых, можно от-

цэ

0,298

0,294 0,Ж

0,005

а<>1

0,015 0,02

Ц025

0,03

Глубина проникновения стру и в оюежквй ноток Ь, м

1-й ряд отверстий ■

-2-й ряд отверстий

Рисунок 18. Влияние глубины проникновения поперечных струй, истекающих из отверстий первичной зоны на неравномерность, метить, что влияние первого пояса основных отверстий гораздо более сильно, чем второго. Кроме того, из указанного графика видно, что с ростом глубины проникновения струй в поток неравномерность уменьшается.

На рисунке 19 представлен график изменения неравномерности в зависимости от изменения относительной скорости потока. Анализ протекания кривой позволяет сделать вывод о том, что для конкретного смесительного устройства (в данном случае жаровой трубы) существует оптимальное соотношение скоростей сносящего потока газов

УГг И поперечных струй кото- рисупок 19. Изменение параметра неравномерно-рому соответствует минимальная сти в в зависимости от изменения относительной величина неравномерности потока скорости потока. ©.

На рисунке 20 представлен график, иллюстрирующий зависимость неравномерности температурного поля от величины раскрытия зоны горения, из которого видно, что неравномерность поля температур на выходе КС возрастает с ростом раскрытия зоны горения (сплошная кривая). Однако постановка втулок, заглубляющих проникновение поперечных струй "вторичного" воздуха в основной сносящий поток, позво- _ ,п „ „_ ,_„ _

4 Рисунок 20. Изменение параметра неравно-

ляет уменьшить температурную мсрносхи © в выходном сечении камеры сго-неравномерность на выходе камеры рания в зависимости от относительного сгорания (пунктирная Кривая). раскрытия зоны горения Р„/Р:е.

ГтвГеум

♦ Бппулок - ■ Ш- - Свтулкями -Без тулок (расчет - - - - С тулками (расчф!)

Как видно из графика, характер протекания экспериментальных и расчётных кривых неплохо согласуется друг с другом, но расчётные значения параметра © несколько выше экспериментальных. Это объясняется влиянием ряда допущений, принятых при расчёте, однако соответствие форм кривых даёт возможность судить о влиянии конструктивных параметров на величину температурной неравномерности на выходе КС.

Полученные результаты хорошо согласуются с результатами исследований П.П. Григоренко, В.Ф. Постнова и Ю.А. Спиридонова (рис. 21), которыми получена так называемая "замечательная точка", характеризующаяся минимальным значением температурной неравномерности потока на выходе камеры сгорания при определённом соотношении расходов струй и газового потока в зоне смешения, определяемыми площадью основных отверстий и скоростью истечения из них. Из чего следует, что в смесителях различной конструкции существует оптимальное значение соотношения при ко-

тором можно получить ©,я/я.

Кроме того, уравнение (19) позволяет получить текущее значение температуры по высоте канала и построить радиальную эпюру температур на выходе камеры. На рисунке 22 представлен график изменения расчётной температуры на выходе КС для серийного варианта и варианта 2-й сборки (рис. 9). Сопоставление расчётных значений с экспериментальными, их удовлетворительное совпадение, позволяет сделать вывод о возможности применения рассмотренных подходов при описании процессов смешения.

и \ \ \ ч ПтЛ.х

¿0

\УгЛУо=0,3

- \УгЛУо-|

- Григоренко. Спиридонов

Ог/СЗсм

Рисунок 21. Изменение неравномерности температур на выходе КС в зависимости от относительного расхода в зоне смешения.

1 '

б О.»

0

1 0,6 I 0А

3 0,2

~ ' ~

ч \ \ А

1 /

г/

830

900

950

Оернйтй ипциянт(рпсчвт)

----2-я сборке (рясчСт)

О Сори Ним И ■приют (экопорнмот) Д 2-я сборка (акспсримонт)__

1050 1.К

1000 2000 3000 4000 5000 №00 7000 ——о Р прототипа «-———~ Р модификации ,,ас

Рисунок 22. Изменение температуры по высоте канала на выходе КС.

Рисунок 23. Изменение вероятности безотказной работы КС НК-16-18СТ по времени. Вероятностно-статистическая теория надёжности позволяет определить прогнозируемую вероятность безотказной работы (надёжность) вновь проек-

тируемой камеры или изменения конструкции прототипа на основе его статистических данных. Основываясь на рассчитанных характеристиках надёжности двигателя НК-16-18СТ, с помощью комбинации нормального и экспоненциального законов распределения вероятности безотказной работы по времени, можно прогнозировать влияние того или иного мероприятия на надежность КС.

Так, при понижении температуры стенок жаровой трубы в зоне смешения на 70-И 20 градусов, как следствия изменения радиального распределения температур (рис. 12), следует ожидать повышение уровня физической надёжности, примерно, на 12% (рис. 23) для значения наработки I = 6000 часов.

Из результатов исследования процесса смешения следует:

- предлагаемая физико-математическая модель смешения достаточно адекватно описывает процесс смешения в условиях жаровой трубы, а полученные результаты удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными конкретного исследования и ряда работ сходного характера;

- использование результатов расчётов при доводке КС позволяет наметить пути модернизации, а также прогнозировать уровень надёжности её модификаций.

Осйовные результаты работы

1. Проведёны вероятностно-статистический анализ дефектов КС двигателей наземного применения НК-16СТ, НК-16-18СТ и оценка надёжности их работы. Выявлены закономерности проявления отказов. Выяснено, что одним

1 из основных дефектов является разрушение кожухов жаровой трубы, вызван-

ное повышенной температурной неравномерностью газового потока по высоте ЖТ, приводящее также к повреждению лопаток турбины.

2. На основании результатов экспериментальных исследований в стендовых условиях полноразмерных камер сгорания различного конструктивного исполнения установлено, что перераспределение "вторичного" воздуха по длине жаровой трубы является эффективным средством управления процессом сжигания топлива.

3. Получено, что в камерах сгорания двигателей семейства НК перераспределение 50 % смесительного воздуха в зону горения путём введения дополнительных поясов отверстий позволяет снизить выделение СО на 60 % и Ж)х на 16 % без ухудшения полнотных характеристик.

4. Установлено, что уменьшение доли воздуха на смешение приводит к изменению профилей радиальных эпюр температур на выходе КС. Наряду с уменьшением значений пристеночных температур газа несколько возрастает температура в ядре потока, что способствует улучшению температурного состояния кожухов жаровой трубы и повышению надёжности камеры сгорания.

5. На основе физико-математической модели смешения в жаровой трубе составлена методика расчёта неравномерности температурных полей и проведено численное исследование влияния различных параметров КС на температурную неравномерность газового потока.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Низамутдинов P.M., Гилязов М.Ш. Диагностика и устранение возникающих в элементах камер сгорания двигательных установок дефектов при переводе на газообразное топливо / Тезисы докладов на Всероссийской студенческой научной конференции «V Королёвские чтения», Самара, 1999.

2. Мингазов Б.Г., Королёв А.Н., Меркушин В.К., Стародубцев В.В., Низамутдинов P.M. Экспериментальное исследование и анализ перераспределения вторичного воздуха по длине камеры сгорания на основе расчёта по физико-математической модели с использованием ЭВМ // Вест. СГАУ. Сер.: Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей. Вып. 3; Са-мар. гос. техн. ун-т, Самара, 2000, с. 178-183.

3. Мингазов Б.Г., Королёв А.Н., Меркушин В.К., Стародубцев В.В., Низамутдинов P.M. Влияние перераспределения вторичного воздуха на характеристики камеры сгорания ГТД // Сборник докладов Международной научно-технической конференции, посвящённой памяти Н.Д. Кузнецова, 21-22 июня

2001 г.-Самара,2001.

4. Мингазов Б.Г., Королёв А.Н., Меркушин В.К., Стародубцев В.В., Низамутдинов P.M. Влияние перераспределения вторичного воздуха на эмиссионные характеристики камеры сгорания ГТД / Материалы докладов XIV Всероссийской межвузовской научно-технической конференции, 14-16 мая

2002 г. - Казань, 2002, с. 83 - 86.

5. Мингазов Б.Г., Низамутдинов P.M. Влияние перераспределения вторичного воздуха на температурную неравномерность / Материалы докладов XIV Всероссийской межвузовской научно-технической конференции, 14-16 мая 2002 г. - Казань, 2002, с. 86 - 87.

6. Мингазов Б.Г., Королёв А.Н., Меркушин В.К., Стародубцев В.В., Низамутдинов P.M. Оптимизация основных характеристик камеры сгорания Г'ГД путём перераспределения вторичного воздуха по длине жаровой трубы / Тезисы докладов IV Всероссийской научно-технической конференции «Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей», 9-10 октября, 2002 г. - Самара, 2002, с. 103-108.

7. Мингазов Б.Г., Низамутдинов Р.М. Влияние конструктивных параметров на температурную неравномерность кольцевой камеры сгорания ГТД / Тезисы докладов IV Всероссийской научно-технической конференции «Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей», 9-10 октября, 2002 г. - Самара, 2002, с. 109-117.

8. Мингазов Б.Г., Королёв А.Н., Стародубцев В.В., Низамутдинов P.M. Опыт создания малоэмиссионной камеры сгорания двигателя НК-18СТ // Сборник докладов Всероссийской научно-технической конференции авиационных предприятий России, 14-17 августа 2002 г. - Казань, 2002.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,25. Усл. печ. л. 1,16. Усл.-кр. отт. 1,16. Уч. изд. л. 1,0. Тираж 100. Заказ

Типография Издательства Казанского государственного технического

университета 420111, Казань, К. Маркса, 10

loo!- А

ioié>8

Условные обозначения.

Индексы.

Условные сокращения.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Обзор существующих работ, моделей и расчётных методик

1.1. Процессы, происходящие в основных камерах сгорания ГТД.

1.2. Математическое моделирование внутрикамерных процессов, методы доводки значений показателей работы камер сгорания.

1.2.1. Понятие модели, классификация моделей камер сгорания ГТД.

1.2.2. Краткий обзор существующих математических моделей и методов доводки КС газотурбинных двигателей.

1.3. Цель и основные задачи работы.

ГЛАВА 2. Камеры сгорания двигателей J4K-16CT, НК-16-18СТ: особен' " "'С -И-4 <"-' ности конструкции, дефекты, надёжность, прогнозирование вероятности безотказной работы.

2.1. Обеспечение надёжности и прогнозирование безотказной работы при доводке камер сгорания ГТД.

2.2. Камеры сгорания двигателей НК-16СТ, НК-16-18СТ, особенности конструкции.

2.3. Оценка надёжности камер сгорания двигателей НК-16СТ, НК-16-18СТ.

2.3.1. Методика оценки надёжности при статистической обработке данных.

2.3.2. Анализ статистической обработки данных по дефектам КС НК-16СТ.1.

2.3.3. Анализ статистической обработки данных по дефектам КС НК-16-18СТ.

2.3.4. Прогнозирование надёжности безотказной работы, способы повышения уровня физической надёжности КС.

2.4. Возможные способы модернизации исследуемых КС.

2.5. Оперативная оценка надёжности камер сгорания.

ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование влияния перераспределения подачи "вторичного" воздуха по длине жаровой трубы на основные характеристики кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя

3.1. Цель и задачи экспериментального исследования.

3.2. Особенности процессов камеры сгорания двигателя НК-16-18СТ, как объекта исследования.

3.3. Первый этап экспериментального исследования.

3.3.1. Краткое описание рабочего участка экспериментальной установки и замеряемые параметры.

3.3.2. Описание вариантов конструкций жаровых труб.

3.3.3. Последовательность проведения испытаний вариантов отсеков и режимные параметры.

3.3.4. Результаты исследования, полученные на девяти горелочном отсеке камеры сгорания двигателя НК-16-18СТ.

3.3.5. Анализ результатов первого этапа экспериментального исследо- ^ вания

3.4. Второй этап экспериментального исследования.

3.4.1. Краткое описание камерного стенда и его режимные параметры при испытаниях.

3.4.2. Описание испытанных вариантов камер сгорания.

3.4.3. Последовательность проведения стендовых испытаний и замеров значений характеристик камеры сгорания.

3.4.4. Методика обработки результатов замера эмиссии токсичных веществ СО и NOx.

3.4.5. Методика обработки параметров температурного поля на вы- ^ ходе экспериментальной КС.

3.4.6. Методика расчета полнотных характеристик КС.

3.4.7. Результаты стендовых испытаний БКС.

3.4.8. Анализ результатов второго этапа экспериментального исследования.

3.5. Выводы по результатам экспериментального исследования.

ГЛАВА 4. Разработка методики расчёта температурной неравномерности на основе моделирования процесса смешения струй в условиях жаровой трубы камеры сгорания газотурбинного двигателя.

4.1. Особенности процесса смешения поперечных струй с газовым потоком в жаровой трубе камеры сгорания.

4.2. Моделирование процесса смешения в жаровой трубе КС.

4.3. Получение зависимости, характеризующей неравномерность температурного поля по длине жаровой трубы КС.

4.4. Использование полученной зависимости при оценке температурной неравномерности камер сгорания ГТД.

4.5. Исследование влияния конструктивных параметров камеры сгорания на температурную неравномерность газового потока.

На современном этапе, говоря о силовых приводах газоперекачивающих агрегатов (ГПА) в виде конверсированных авиадвигателей, уже нет необходимости упоминать двигатели, отработавшие свой лётный ресурс. В условиях рыночных отношений и жёсткой конкурентной борьбы вопрос стоит о производстве и создании именно специализированных приводов ГПА, а не о переделке пришедших из лётной эксплуатации авиационных двигателей.

В связи с этим, остро встаёт проблема надёжности и увеличения ресурса газотурбинных приводов, так как ремонт одного двигателя обходится предприятию в 30 % стоимости нового ГТД, что обуславливает необходимый уровень резервирования, также, не менее 30 %. Поэтому, увеличение межремонтного ресурса при доводке уже существующих конструкций, путём введения ряда конструктивных мероприятий, является актуальной задачей, позволяющей повысить экономическую эффективность использования конверсированных ГТД.

Сегодня, более 40 % установленной мощности всех газоперекачивающих агрегатов в ОАО ГАЗПРОМ составляют ГПА-Ц-16. Наибольшее их количество работает в ООО "Тюменьтрансгаз". В качестве силового привода установки используется конверсированный авиационный двигатель НК-16СТ.

Кроме того, в составе газоперекачивающих агрегатов, помимо НК-16СТ, работают двигатели НК-12СТ, НК-14СТ, НК-16-18СТ, НК-36СТ. Планируется введение в серийное производство нового двигателя НК-38СТ. Все эти двигатели являются авиационными ГТД, адаптированными к условиям наземного применения, топливом для которых служит природный газ.

Принято считать, что ресурс газотурбинного двигателя определяется ресурсом турбины, как самого высоко нагруженного узла. Ресурс турбины напрямую зависит от температуры газов (ТД К) перед ней, поступающих из камеры сгорания. Для авиационных ГТД, работающих на керосине, значения Тг* сейчас располагаются в диапазоне 1300-И 800 К, [3, 7]. При адаптации авиадвигателя к условиям наземного применения и переводе его на газообразное топливо, Тг* понижается, примерно, на 10-Н5 %. Это ведёт к некоторой потери мощности, но "разгружает" турбину, обеспечивая ей выгодные условия для длительной работы в составе силового привода ГПА.

Однако перевод двигателя с жидкого топлива на газообразное приводит к существенным изменениям в организации рабочего процесса в камере сгорания [19], обуславливая её работу в нерасчётном режиме, что ведёт к перегрузке отдельных её элементов и быстрому их разрушению, а также негативно сказывается и на состоянии турбины. Если оставить конструкцию камеры без изменений, учитывающих особенности горения природного газа, это может привести к преждевременному выходу её из строя из-за нерациональной организации рабочего процесса в ней.

Из вышесказанного следует, что для авиационного газотурбинного двигателя, адаптированного к применению в наземных условиях, наиболее напряжённым узлом является камера сгорания, которая определяет целый ряд основных показателей, характеризующих его работу, в том числе ресурс, надёжность, экологическое совершенство и экономичность.

Согласно [7], камера сгорания перспективного двухконтурного ТРД гражданской авиации должна обеспечить следующие основные характеристики: полноту сгорания не менее 0,995 (на основных режимах) и более 0,98 на режимах малого газа; неравномерность температурного поля на выходе КС < 1,2; потери полного давления 5,5 %; назначенный ресурс не менее 20000 часов при доле охлаждающего воздуха 0,2; эмиссию вредных веществ в зоне аэропорта: по NOx - 35.50 г/кН, по СО - 50 г/кН.

Применяемые в наземных установках газотурбинные двигатели, в которых используется в качестве топлива природный газ, подпадают под действие ГОСТ 28775-90, в котором указаны нормы эмиссии СО и NOx. Значение предельно допустимой концентрации эмиссии окислов азота NOx (ПДКиОх15=150 мг/нм ) определены в подпункте 3.11 вышеуказанного ГОСТ, а значение предельно допустимой концентрации эмиссии окиси углерода СО (ПДКСо15=300 мг/нм3) - в подпункте 3.12. Согласно более новому ГОСТ 29328-92, содержание

NOx при работе на природном газе не более 50 мг/нм . Следует добавить, что к: 2005 году планируется принять более жесткие требования по нормам эмиссии СО и NOx силовых приводов наземных установок.

Задача модернизации конструкции отдельного узла газотурбинного двигателя (ГТД), находящегося в эксплуатации и поставленного в серийное производство, принципиально отличается от задачи создания нового двигателя в целом [15], так как здесь следует выделить три основные условия её проведения:

- во-первых, финансовые и материальные затраты, связанные с изменением конструкции узла должны быть невелики;

- во-вторых, ресурсные и эксплуатационные свойства агрегата в целом не должны ухудшаться;

- в-третьих, серийное производство эксплуатируемой модели должно продолжаться без существенных задержек.

В связи с этим, при доводке уже существующей конструкции с целью сбережения средств на эксперимент, целесообразно создавать автоматизированные программы с небольшим кругом охватываемых задач. Слишком большая общность (универсальность) делает программу тяжеловесной, требует дополнительной дорогостоящей подготовки специалистов и не всегда оправдывает финансовых затрат, связанных с её приобретением [13]. Поэтому моделирование процессов с привязкой системы координат к геометрическим размерам конкретной конструкции КС, которое может вестись в последовательной, плоской или объёмной постановке, но отражать влияние основных конструктивных и режимных параметров камеры сгорания на её основные характеристики, наиболее полно отвечает вышеперечисленным условиям.

Из вышесказанного следует, что расширение и углубление экспериментально-теоретических исследований процессов происходящих внутри камеры при переводе её на газообразное топливо, систематизация различных подходов и их модернизация, наряду с использованием статистического материала по отказам и оценке надёжности работы КС, является актуальной задачей.

Целью диссертационной работы: выявление закономерностей проявления характерных дефектов камер сгорания ГТД наземного применения и оценка надёжности их работы на примере двигателей семейства НК; исследование характеристик камер сгорания различного конструктивного исполнения для определения мероприятий по повышению их надёжности; составление расчётной методики оценки температурной неравномерности газового потока на основе моделирования процесса смешения в условиях жаровой трубы.

Указанная цель может быть достигнута путём комплексного решения следующих основных задач диссертационной работы:

- выявление причин возникновения основных дефектов кольцевой камеры сгорания ГТД наземного применения на примере камер сгорания двигателей НК-16СТ, НК-16-18СТ;

- создание методики определения надёжности КС на основе вероятностно-статистического анализа отказов, позволяющей определять надёжность на каждом этапе доводочных работ;

- проведение экспериментальных исследований влияния распределения "вторичного" воздуха по длине жаровой трубы КС на температурную неравномерность газового потока и эмиссию токсичных веществ;

- разработка физической картины смешения в условиях жаровой трубы кольцевой камеры сгорания;

- создание расчётной методики оценки температурной неравномерности газового потока в камере сгорания на основе моделирования процесса смешения струй и газового потока в условиях жаровой трубы.

В результате проведения комплекса исследований экспериментально-теоретического характера, диссертационная работа содержит совокупность основных научных положений, выводов и рекомендаций по оптимизации рабочего процесса в кольцевых камерах сгорания ГТД наземного применения. Научную новизну диссертационной работы представляют:

1. Новые экспериментальные данные по влиянию распределения "вторичного" воздуха по длине жаровой трубы КС на формирование полей температемператур и эмиссионные показатели токсичных веществ на выходе камеры, а именно, окислов азота NOx и оксида углерода СО.

2. Методика оценки надёжности по распределению отказов камеры сгорания и их классификация.

3. Методика оценки температурной неравномерности газового потока, составленная на основе моделирования процесса смешения основного газового потока и струй "вторичного" воздуха с учетом изменения'скоростей по длине жаровой трубы КС.

На защиту выносятся:

- результаты экспериментального исследования влияния распределения "вторичного" воздуха на процессы смешения в КС и выбросы токсичных веществ (окиси углерода СО и окислов азота NOx).

- методика расчёта температурной неравномерности газового потока в КС, составленная на основе моделирования процесса смешения струй и сносящего потока газов в условиях жаровой трубы камеры сгорания ГТД;

- результаты параметрического анализа изменения неравномерности температурного поля и влияния, оказываемого на неё конструктивными и режимными параметрами камеры сгорания.

Практическая значимость работы и внедрение результатов

- внедрение мероприятий повышения надёжности и увеличения ресурса камеры сгорания двигателя НК-16-18СТ, а также обеспечения удовлетворительных параметров токсичности указанного двигателя на ОАО КПП "Авиамотор";

- на основе анализа статистических материалов по отказам КС проведена классификация отказов кольцевой камеры сгорания и выявлено их влияние на надёжность её работы, составлена обобщающая методика обработки статистических данных на ЭВМ;

- разработанная на основе физико-математического моделирования процессов смешения в жаровой трубе методика расчёта позволяет оценить влияние ряда режимных и конструктивных параметров на температурную неравномерность газового потока в камере сгорания и скорректировать изменения конструктивного облика КС, сокращая, тем самым, время и затраты на эксперимент;

- основные положения диссертационной работы и предложенные методики внедрены на ОАО КПП "Авиамотор", а также в качестве учебных материалов для проведения практических занятий по курсу "Надёжность ВРД". Апробация результатов работы Основные результаты работы докладывались на Всероссийской НТК "Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей", (Самара,

2000); Международной НТК, посвящённой памяти Н.Д. Кузнецова, (Самара,

2001); XIV Всероссийской межвузовской НТК "Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология", (Казань, 2002); Всероссийской НТК авиационных предприятий России, (Казань, 2002).

Работа выполнена на кафедре "Авиационные двигатели и энергетические установки" Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева под руководством д.т.н., проф. Мингазова Б.Г.

Автор выражает искреннюю благодарность зав. кафедрой АДЭУ проф. Б.Г. Мингазову и коллективу кафедры за помощь при выполнении данной работы, а также проф. В.А. Костерину и доц. М.Ш. Гилязову за полезные советы при обсуждениях её содержания и, особенно, с.н.с. В.В. Стародубцеву за ценные замечания и весомое участие при проведении экспериментов, обработке и описании их результатов.

В работе использованы результаты исследований выполненных автором в тесном сотрудничестве с коллективом бригады камеры сгорания ОАО КПП "Авиамотор". Автор весьма признателен за содействие зам. глав, конструктора А.Н. Королёву и нач. бригады В.К. Мерку шину.

Заключение

1. Проведён вероятностно-статистический анализ дефектов камер сгорания газотурбинных двигателей наземного применения НК-16СТ и НК-16-18СТ, выявлены закономерности их проявления, проведена оценка надёжности их работы. Выяснено, что одним из основных дефектов является разрушение кожухов жаровой трубы, вызванное повышенной температурной неравномерностью газового потока по высоте канала, приводящее также к повреждению лопаток первой ступени турбины.

2. На основании результатов экспериментальных исследований в стендовых условиях полноразмерных камер сгорания различного конструктивного исполнения установлено, что перераспределение "вторичного" воздуха по длине жаровой трубы является эффективным средством управления процессом сжигания топлива.

3. Получено, что в камерах сгорания двигателей семейства НК перераспределение 50 % смесительного воздуха в зону горения путём введения дополнительных поясов отверстий позволяет снизить выделение СО на 60 % и NOx на 16 % без значительного ухудшения полнотных характеристик.

4. Установлено, что уменьшение доли воздуха на смешение приводит к изменению профилей радиальных эпюр температур на выходе КС. Наряду с уменьшением значений пристеночных температур газа несколько возрастает температура в ядре потока, что способствует улучшению температурного состояния кожухов жаровой трубы и повышению надёжности камеры сгорания.

5. На основе физико-математической модели смешения в жаровой трубе составлена методика расчёта неравномерности температурных полей и проведено численное исследование влияния различных параметров КС на температурную неравномерность газового потока.

1. Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД / Пер. с англ. М. Мир. 1986. 566 с.

2. Мингазов Б.Г. Внутрикамерные процессы и автоматизированная доводка камер сгорания ГТД. Казань: изд-во КГТУ, 2000. 168 с.

3. Пчёлкин Ю.М. Камеры сгорания газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1984. 279 с.

4. Раушенбах Б.В., Белый С.А и др. Физические основы рабочего процесса камер сгорания воздушно-реактивных двигателей. М.: Машиностроение, 1964. 526 с.

5. Ильяшенко С.М., Талантов А.В. Теория и расчёт прямоточных камер сгорания. М.: Машиностроение, 1964. 036 с.

6. Теория воздушно-реактивных двигателей. // Учебник под ред. д-ра техн. наук Шляхтенко С.М. М.: Машиностроение, 1975. 568 с.

7. Кузин А.Ф., Янковский В.М., Аполлонов В.А., Талантов А.В. Влияние начальной температуры на основные характеристики горения в турбулентном потоке однородной смеси. М.: Наука, 1972. С. 431-436.

8. Талантов А.В. Основы теории горения: Учебное пособие. Казань: Изд-во авиационного института имени А.Н. Туполева, 1975, 252 с.

9. Лебедев Б.П., Доктор И.Ю. О стабилизации пламени неоднородных смесей //Третий всесоюзный симпозиум по горению и взрыву. Л., 1971. С. 119-121

10. Мингазов Б.Г. и др. О механизме стабилизации пламени в потоке двухфазной топливовоздушной смеси // Авиационная техника, № 3, 1978.С. 68-74. (Известия высших учебных заведений).

11. Гилязов М.Ш., Костерин В.А., Смородин Ф.К. Стабилизация пламени в газодинамических предкамерах. Сб. Горение в потоке, КАИ, Казань, 1970, с.133-141.

12. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкостей. М.: Энергоатомиздат, 1984. 150 с.

13. Роуч П. Вычислительная гидродинамика / Пер. с англ. В.А. Гущина и В.Я. Митницкого, под ред. Чушкина. М. Мир, 1980, 616 с.

14. Котов В.Г. Реализация мероприятий федеральной программы конверсии оборонной промышленности в 1995-1997 г.г. // Конверсия в машиностроении, 1999, №1, с. 5-11.

15. Наземное применение авиадвигателей в народном хозяйстве. Часть 4: Материалы межотраслевых н.-т. Конференций, совещаний, семинаров и выставок.-ВИМИ, 1982.

16. Ланский А.В. Исследование процесса горения природного газа в камерах сгорания авиационных ГТД // Вест. СГАУ. Вып. 1, Самар. гос. техн. ун-т, Самара, 1998, с. 228-246.

17. Закрученные потоки: Пер. с англ. / Гупта А., Лилли Д., Сайред Н. М.: Мир, 1987.-588 е., ил.

18. Башкатов Ю. Н. Дехтяренко А.Б., Марчуков Ю.П., Самелюк В.В. Влияние режимных параметров на температурное поле газового потока за системой радиальных стабилизаторов. -Изв. Вузов: Авиационная техника, 1984, № 3, с.85-87.

19. Григоренко П.П., Спиридонов Ю.А., Талантов А.В. Влияние режимных и геометрических параметров камеры смешения на характеристики смесеобразования В кн.: Горение в потоке, вып. 1.-Казань, 1976, с.36-43

20. Тунаков А.П. Методы оптимизации при доводке и проектировании газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1979, 181 с.

21. Лукачёв С.В., Цыганов A.M., Ковылов Ю.Л. Элементы термогазодинамического расчёта камеры сгорания ГТД // Вест. СГАУ. Сер.: Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей. Вып. 3; Самар. гос. техн. унт, Самара, 2000, с. 128-142.

22. Ковылов Ю.Л., Крашенинников С.В., Лукачёв С.В. Обобщённая характеристика камеры сгорания газотурбинного двигателя. Теплоэнергетика, №1, 1999.

23. Ковылов Ю.Л., Крашенинников С.В., Цыганов A.M. Содержание и физический смысл характеристики камеры сгорания ГТД // Вест. СГАУ. Сер.: Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей. Вып. 3; Самар. гос. техн. ун-т, Самара, 2000, с. 109-124.

24. Образцов И.А., Горшенин Г.С., Дятлов И.Н., Янковский В.М. Исследование рабочего процесса и доводка камеры сгорания ГТД наземного применения. // В кн.: Испытания авиационных двигателей, Уфа, 1984, с. 18-24.

25. Коновалова А.В., Харитонов В.Ф. и др. Метод предварительного проектирования камер сгорания ГТД // Вест. СГАУ. Сер.: Проблемы и перспективы развития двигателестроения. Вып. 3, ч. 2; Самар. гос. техн. ун-т, Самара, 1999, с. 184-189.

26. Коновалова А.В., Харитонов В.Ф., Кожинов Д.Г. Система газодинамического анализа камер сгорания ГТД // Авиационная техника: Изв. Вузов. — 2000, №4, с. 58-60.

27. Явкин В.Б. Исследование нестационарных процессов в каналах с проницаемыми стенками / Тезисы докладов междунар. науч.-техн. конф. механики машиностроения / Наб. Челны, 1997, с. 27.

28. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин В.П., Худяков В.А. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания // Под. Ред. Глушко В.П., т. 1-М.: изд-во АН СССР, 1971.

29. Косточкин В.В. Надёжность авиационных двигателей и силовых установок: Учебник для студентов авиационных специальностей вузов. 2-е изд., пере-раб. и доп. - М.: Машиностроение, 1988. - 272 е.: ил.

30. Надёжность машин: Учебное пособие для машиностроительных вузов / Д.Н. Решетов, А.С. Иванов, В.З. Фадеев; Под ред. Д.Н. Решетова. М.: Высшая школа, 1988,238 с.

31. Акимов В.М. Основы надёжности газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1981, 207 с.

32. Дятлов И.Н., Мингазов Б.Г. Конструкция, надёжность и техническая диагностика камер сгорания газотурбинных двигателей: Учебное пособие / Под ред. А.В. Талантова. Казань: КАИ, 1988, 74 с.

33. Льюис Б., Пиз Р.Н., Тейлор Х.С. Аэродинамика больших скоростей и реактивная техника. М.: Физматгиз, 1961, 542 с.

34. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. М.: Физматгиз, 1960, 716 с.

35. Дудкин В.Т., Костерин В.А. Влияние фронтового устройства на характеристики камеры сгорания прямоточного типа // Горение в потоке, выпуск 2, Казань: КАИ, 1978, с. 14-18.

36. Григоренко П.П., Постнов В.Ф., Спиридонов Ю. А. Влияние режимных параметров камеры сгорания газотурбинной установки на неравномерность температурного поля газа // Горение в потоке, выпуск 2, Казань: КАИ, 1978, с. 65-69.

37. Спиридонов Ю.А. и др. Некоторые закономерности распространения системы струй в ограниченном сносящем потоке. ИВ УЗ, "Энергетика", 1975, №8.

38. Подшивалин А.В., Мотылинский И.П. Периферийная веерная струя в сносящем потоке // Горение в потоке, выпуск 1, Казань: КАИ, 1976, с. 30-36.

39. Милёхин В.Н., Мотылинский И.П., Сёмичев А .Я. Экспериментальное исследование распространения двух круглых струй соударяющихся струй в потоке // Горение в потоке, Казань: КАИ, 1984, с. 68-72.

40. Иссерлин А.С. Основы сжигания газового топлива. JL: Недра, 1987. 336 е.: ил.

41. Физико-химические и эксплуатационные свойства реактивных топлив: Справочник / Н.Ф.Дубовкин, В.Г.Маланичева, Ю.П.Массур, Е.П.Федоров. // М.: Химия, 1985. 240 е.: ил.

42. Вукалович М.П., Кириллин В.А., Ремизов С.А., Силецкий B.C., Тимофеев В.Н. Термодинамические свойства газов. М.: Машгиз, 1953. 373 .: ил.

43. Нормирование эмиссий двигателей воздушных судов / Междунар. орг. гражд. авиации, Монреаль, 1977.- 30 с. - (Циркуляр ИКАО; 134-А/94).

44. Энергетические и экологические характеристики ГТД при использовании углеводородных топлив и водорода / П.М. Канило, А.Н. Подгорный, В.А. Христич. Киев: Наук, думка, 1987. 224 е.: ил.

45. Христич В.А., Тумановский А.Г. Газотурбинные двигатели и защита окружающей среды. К.: Техшка, 1983. - 144 е., ил. - Библиогр.: с. 138 - 143

46. Дубовкин Н.Ф. Справочник по теплофизическим свойствам углеводородных топлив и их продуктам сгорания. M.-JL: Госэнергоиздат, 1962. 288 е.: ил.

47. Самойлович Г.С. Гидроаэромеханика: Учебник для вузов. М.: Машиностроение, 1980, 280 е.: ил.

48. Гиневский А.С. Теория турбулентных струй и следов. -М.: Машиностроение, 1969, 400 с.

49. Методы расчёта турбулентных течений: Пер. с англ. / Под ред. В. Колльма-на. М.6 Мир, 1984, 464 е.: ил.

50. Траектории одиночных и двойных струй, вводимых в сносящий поток с неравномерным распределением поля скоростей. Тошиаки Макината и Ёши-хиро Миайи, Осака, Япония, Journal of Fluids Engineering, 1977, собственный перевод.

51. Текущие свойства затопленных нагретых течений в свободной струе. Джеймс Ф. Кэмпбелл и Джозеф А. Шитц, Исследовательский центр НАСА, Лэнгли, AIAA Journal, 1973, собственный перевод.

52. Проникновение струй в турбулентные потоки. Р.Х.Вейланд и Олев Трасс, Университет Торонто, Онтарио, The Canadian Journal of Chemical Engineering, 1969, собственный перевод.

53. Зельдович Я.Б., Садовников Л.И., Франк-Каменецкий Д.А. Окисление азота при горении. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1947, 147 с.

54. Ахмедов Р.Б., Балагула Т.Б., Рашидов Ф.К., Сакаев А.Ю. Аэродинамика закрученной струи. М., "Энергия", 1977, 240 с.

55. Михайлов А.И., Горбунов Г.М., Борисов В.В., Квасников JI.A., Марков Н.И. Рабочий процесс и расчёт камер сгорания газотурбинных двигателей. М.: гос. изд-во оборонной промышленности, 1959, 286 с.

56. Хакер Д.С. Модель стабилизации пламени в закрученном потоке, основанной на упрощённой теории пути смешения. М.: Ракетная техника и космонавтика, 1974, № 1, с. 78-86.

57. D D D D D D D D 0 D 0 D D D D D 0 0 D D В136