автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Методы и средства повышения эффективности рабочего процесса камер сгорания малоразмерных ГТД

На правах рукописи

Ланский Анатолий Михайлович

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА КАМЕР СГОРАНИЯ МАЛОРАЗМЕРНЫХ ГТД

Специальность: 05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

21 АВГ 2014

005551913

Самара-2014

005551913

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)» (СГАУ) на кафедре теплотехники и тепловых двигателей.

Научный консультант: Лукачев Сергей Викторович, доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Августинович Валерий Георгиевич, доктор технических наук, профессор, ОАО «Авиадвигатель», заместитель начальника опытно-конструкторского бюро по науке;

Мингазов Билал Галавтдинович, доктор технических наук, профессор федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский государственный технический университет имени А.Н. Туполева», заведующий кафедрой реактивных двигателей и энергетических установок;

Шайкин Александр Петрович, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тольяттинский государственный университет», профессор кафедры энергетических машин и систем управления.

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уфимский государственный авиационный технический университет».

Защита состоится «14» ноября 2014 г. в 10® часов на заседании диссертационного совета Д 212.215.02, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)» СГАУ, по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, д. 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте www.ssau.ru федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)».

Автореферат разослан «15» июля 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.215.02 д.т.н., профессор

О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований. Развитие авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) идет по пути улучшения их термодинамических параметров, схемно-конструктивного совершенствования с целью повышения технико-экономических показателей авиационных силовых установок (СУ) на борту летательного аппарата (ЛА).

Расширение диапазона применения ГТД как по высоте и скорости полета, так и по условиям эксплуатации (климатическим условиям, наличию пыли, снега, биочастиц, порывам ветра, турбулентности атмосферы и др.) определяет необходимость сложнейшего комплекса доводочных работ. Хотя подобные проблемы свойственны в той или иной мере авиационным двигателям всех типов, особую остроту, повышенную неопределенность и сложность они приобрели для малоразмерных ГТД (МГТД). Малоразмерность, особо тяжелые условия эксплуатации, характер взаимодействия с ЛА и др., являются существенными факторами, которые необходимо учитывать на протяжении всего жизненного цикла двигателя.

Успешное решение ранее обозначенных проблем в значительной мере зависит от степени совершенства рабочего процесса и конструкции камеры сгорания. Этот узел обеспечивает устойчивое горение в широком диапазоне режимных параметров при высокой полноте сгорания топлива и низких потерях энергии потока рабочего тела, равномерное поле температуры газа на входе в турбину, надежную стабилизацию пламени и запуск камеры сгорания (КС).

Редкие публикации по различным аспектам МГТД обычно не рассматривают проблемы, касающиеся повышения эффективности работы камер сгорания. Для ликвидации этого пробела необходимо систематизировать и обобщить теоретический и экспериментальный опыт по проектированию, доводке и эксплуатации камер сгорания МГТД, разработать методы и средства повышения эффективности рабочего процесса в них. Поэтому тема исследований является несомненно актуальной.

Степень разработанности темы. Исследованием рабочего процесса камер сгорания ГТД и его элементов на протяжен™ длительного времени занимались научные коллективы ЦИАМ, МАИ, КАИ. В Куйбышевском авиационном институте и Самарском государственном аэрокосмическом университете имени академика С.ГГ. Королева работы в данной области выполнялись более 35 лет. В течение этого времени внесен определенный вклад в разработку и совершенствование рабочего процесса камер сгорания авиационных двигателей: НК-25, НК-32, НК-12МВ, газотурбинных установок НК-12СТ, НК-16СТ, ГТУ-95, ГТУ-89СТ-20 в разработку основ проектирования камер сгорания ГТД пятого поколения и форсажных камер сгорания. В это же время выполнен цикл работ по исследованию жидкостных форсунок и горелок, фронтовых устройств различного целевого назначения.

Все ранее сказанное послужило надежным фундаментом для разработки, исследования и доводки камер сгорания малоразмерных ГТД с МКБ «Гранит» (г. Москва), КБ «Гидравлика» (г. Уфа), КОБМ (г. Калуга), СНТК имени Н.Д. Кузнецова (г. Самара), а также созданию камер сгорания для МГТД различного целевого назначения с расходом воздуха Ов<0,3 кг/с. Диссертация представляет ре-

шение крупной научной проблемы по выявлению особенностей рабочего процесса камер сгорания малоразмерных ГТД при различных условиях их эксплуатации.

Цель работы. Повышение эффективности рабочего процесса камер сгорания малоразмерных ГТД на основе теоретического и экспериментального исследования и обобщения важнейших закономерностей изменения его характеристик, разработки методик и рекомендаций по их проектированию и созданию новых конструкций.

Основные задачи диссертационной работы, определяемые целью, состоят в следующем:

1. Анализ особенностей рабочего процесса камер сгорания малоразмерных ГТД с использованием средств математической статистики для определения основных направлений его исследований.

2. Разработка методов испытаний, создание оборудования и экспериментального комплекса для проведения исследований характеристик рабочего процесса камер сгорания малоразмерных ГТД с использованием средств автоматизации испытаний.

3. Исследование закономерностей изменения характеристик камер сгорания малоразмерных ГТД и развитие теоретических методов для их моделирования.

4. Разработка метода (методик и алгоритма) оценки интегральных характеристик камер сгорания малоразмерных ГТД.

5. Разработка рекомендаций по повышению эффективности рабочего процесса камер сгорания малоразмерных ГТД.

6. Разработка конструкций и их элементов, обеспечивающих заявленные характеристики камер сгорания малоразмерных ГТД.

Научная новизна работы:

1. Выполнен комплексный анализ рабочего процесса камер сгорания малоразмерных ГТД с использованием средств математической статистики, позволяющий установить влияние геометрических параметров на интегральные характеристики камер сгорания ГТД.

2. Разработан комплекс стендов, технологий испытаний и доводки камер сгорания малоразмерных ГТД, обеспечивающих имитацию высотно-климатических условий.

3. Исследовано принудительное воспламенение топливно-воздушной смеси (TBC) в камерах сгорания МГТД, впервые получены его основные закономерности с учетом массообмена в первичной зоне КС.

4. Детально изучен рабочий процесс автономных вихревых горелок и в составе камер сгорания различной размерности.

5. Усовершенствованы эмпирические модели для оценки: гидравлического сопротивления, выгорания топлива, стабилизации пламени, полей температуры газа и запуска камер сгорания МГТД.

6. Разработан метод (модели и алгоритм) оценки интегральных характеристик камер сгорания малоразмерных ГТД, использование которого на этапах эскизного проектирования и доводки КС позволяет находить новые технические решения.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в том, что на основе полученных результатов разработаны и внедрены методы исследования

характеристик рабочего процесса в камерах сгорания МГТД, методики расчета характеристик рабочего процесса и рекомендации, позволяющие создать КС с заявленными параметрами.

Ряд разработанных устройств, улучшающих характеристики КС МГТД, признаны изобретениями и внедрены в конструкции двигателей МКБ «Гранит» (Патент № 2033545 РФ, А. с. СССР № 1048242, № 1244995, № 1279307, № 1282631 № 1706281).

Разработанные методики и стенды использовались при проведении специальных испытаний по доводке характеристик камер сгорания двигателей МД-120, ВД-100, ВСУ-120, ВГТД-2, а также при переводе камер сгорания двигателей НК-12МВ, НК-8, АЛ-21Ф и изделия 95 с жидкого топлива на природный газ.

Методология и методы исследования:

Исследования базировались на фундаментальных положениях теории горения и тепломассообмена, газодинамики реагирующих потоков, химической кинетики, турбулентном движении газов и распространении пламени. При этом использовался эмпирико-аналитический метод исследований.

Основные положения, выносимые на защиту:

- результаты статического анализа влияния геометрических параметров на характеристики камер сгорания малоразмерных ГТД;

- результаты исследований рабочего процесса автономных вихревых горелок в составе различных камер сгорания;

- разработанные методики проведения испытаний элементов камер сгорания малоразмерных ГТД в различных высотно-юшматических условиях;

- результаты экспериментальных и теоретических исследований характеристик рабочего процесса камер сгорания малоразмерных ГТД;

- разработанный метод (модели и алгоритм) оценки интегральных характеристик камер сгорания малоразмерных ГТД.

Степень достоверности полученных результатов экспериментальных исследований обеспечивалась:

- применением стандартизованных методик проведения и обработки результатов испытаний камер сгорания и ее элементов;

- метрологически аттестованным и поверенным измерительным оборудованием;

- применением при испытаниях комплектов топливных форсунок, вихревых горелок и жаровых труб с различной наработкой в составе двигателя;

- использованием физически и теоретически обоснованных и практически проверенных интегральных моделей для оценки комплекса характеристик рабочего процесса камер сгорания малоразмерных ГТД, сходимостью расчетов с результатами экспериментов.

Апробация результатов исследований. Основные результаты проведенных исследований и научные положения диссертационной работы докладывались на различных научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах, в том числе на Всесоюзной научно-технической конференции по микроэнергетике (КуАИ, 1975, 1977 г.г.),"на Всесоюзной научно-технической конференции по автоматизации экспериментальных исследований (КуАИ, 1978 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции по теплообмену в энергетических установках

(г. Тула, 1979 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции по комбинированным и газотурбинным установкам (МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1979,1983 г.г.), на Республиканской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов (г. Куйбышев, 1980 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции по современным проблемам двигателей и энергетических установок (МАИ, 1981, 1986 г.г.), на Всесоюзной научно-технической конференции «Защита воздушного бассейна от загрязнения токсичными выбросами транспортных средств» (г. Харьков, 1981 г.), на Всесоюзном совещании ВДНХ «Наземное применение авиадвигателей в народном хозяйстве» (г. Москва, 1982 г.), на научно-техническом семинаре по высокотемпературным процессам в энергетических установках, структурной акустике, диагностике (г. Казань, 1993 г.), Всесоюзной научно-технической конференции «Газотурбинные двигатели и установки» (МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1991 г.), на Международной научно-технической конференции по проблемам и перспективам развития двигателестроения (г. Самара, 1997 г.), Международной научной конференции «Двигатели XXI века» (г. Москва, 2000 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Процессы горения теплообмена и экологии тепловых двигателей» (г. Самара, 2002 г., 2007 г., 2009 г., 2012 г.), Международном конгрессе «Проблемы и перспективы развития наукоемкого машиностроения» (г. Казань, 2013 г.).

Результаты отдельных этапов и работы в целом обсуждались на научно-технических советах предприятий, внедривших результаты диссертации: МКБ «Гранит», г. Москва (НТС в 1985...2003 г.г.); КБ «Гидравлика», г. Уфа (НТС в 1995-1996 г.г., 2013 г.); НПП «Мотор», г. Уфа (НТС в 1996 г.); КМЗ - СНТК имени Н.Д. Кузнецова, г. Самара (НТС с 1985 по 2008 г.г.); ККБМ-СКБМ, г. Самара (НТС в 1985.. .1999 г.г.).

Публикации по теме диссертации. Основные результаты диссертации опубликованы в 50 печатных работах, в том числе 1 монографии и 15 статьях в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Предложенные конструкции защищены 5 авторскими свидетельствами и 1 патентом РФ.

Личный вклад автора. В диссертации изложены результаты работ, которые были выполнены автором лично и в соавторстве. В работах, выполненных в соавторстве и включенных в диссертацию, автор являлся инициатором, т.е. выдвигал идеи, формулировал задачи, намечал пути их решения. Автор разработал основные положения методик испытаний камер сгорания малоразмерных ГТД и принципы конструирования технических средств для измерения параметров и обеспечения имитации высотно-климатических условий при этих испытаниях, участвовал в создании и внедрении испытательных установок, стендов и измерительных систем, предложил методологию экспериментальных исследований, участвовал в их проведении, выполнил анализ и обобщил полученные результаты, разработал расчетные модели. В качестве руководителя и ответственного исполнителя научных тем по камерам сгорания ГТД принимал участие в специальных стендовых испытаниях камер сгорания двигателей МД-120, ВД-100, ВСУ-120, 9И56, НК-16СТ, ГТУ-89СТ-20, ГТУ-95, а так же согласовывал их новые компоновки.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, в совокупности изложенных на 284 страницах, содержит 44 таблицы и 159 рисунков. Список использованных источников включает 316 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, степень ее разработки, цель, задачи и научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы, методология и методы исследований, положения, выносимые на защиту, степень достоверности и апробации работы.

Первая глава диссертации посвящена анализу современного состояния проблемы - организации рабочего процесса в камерах сгорания малоразмерных ГТД. Как показал анализ литературы, традиционный подход к проектированию КС МГТД, заключающийся по существу в распространении на них опыта создания КС полноразмерных двигателей, был подвергнут серьезной критике со стороны NASA и ЦИАМ. Различие в конструкции, размерах и условиях работы КС полноразмерных и малоразмерных ГТД являются причиной того, что подобный подход часто приводит к ошибкам при проектировании, ухудшает показатели силовой установки, требует большого объема доводочных работ. Чтобы установить причины такого рода ошибок, следует изучить особенности работы КС МГТД, накладывающие наиболее существенный отпечаток на их облик и показатели качества работы. Задача усложняется тем, что процессы в КС МГТД изучены еще недостаточно, отсутствуют результаты обобщения экспериментальных исследований, теоретические модели и инженерные методики расчета КС.

Анализ назначения МГТД, эксплуатационных требований и особенностей работы, а также характера изменения конструктивных и режимных параметров на основе статистических данных, позволили сформулировать некоторые основные признаки камер сгорания МГТД, к которым следует отнести: изменения в схеме КС, диктуемые спецификой облика, низкими термогазодинамическими параметрами двигателя и ростом относительных величин характерных размеров. Все ранее сказанное позволило более обоснованно и целенаправленно подойти к созданию научно-технического задела в области организации рабочего процесса камер сгорания МГТД.

Вопросами теории горения и ее практическим применением к реальным устройствам на протяжении длительного времени занимались многие ведущие ученые-теоретики, экспериментаторы и конструкторы. В разработку данной теории значительный вклад внесли: H.H. Семенов, Д.А. Франк-Каменецкий, Л.Н. Хитрин, К.И. Щелкин, Е.С. Щетинков и другие. В области подготовки TBC, исследования и моделирования характеристик КС можно выделить следующие направления работ и авторов: по аэродинамике и массообмену в закрученных потоках - Г.Н. Абрамовича, Р.Б. Ахмедова, С.Ю. Крашенинникова, Б.П. Устименко и др.; по распиливанию топлив - М.С. Волынского, Ю.Ф. Дитякина, Л.А. Клячко, Д.Г. Пажи, Ю.И. Хавкнна; по воспламенению топливно-воздушной смеси -Д.А. Франк-Каменцкого, Л.Д. Хитрина, Е.С. Щетинкова, А. Сполдинга, Г. Виль-ямса; по выгоранию топлива - В.Е. Дорошенко, Б.П. Лебедева, Б.Г. Мингазова,

A. Лефевра; по стабилизации пламени - A.A. Горбатко, В.Н. Каховского, Ю.А. Кныша, Б.П. Лебедева, А.П. Шайкина, Г. Вильямса, Д. Лонгвелла; по формированию полей температуры газов на выходе из камер сгорания - В.Я. Безме-нова, И.И. Онищика, O.A. Рудакова, М.В. Поляковой; по запуску камер сгорания -

B.Н. Строкина, А. Лефевра, А. Сполдинга, В.А. Митрофанова.

Вместе с тем, многие вопросы, касающиеся горения в закрученном потоке, воспламенения TBC с учетом аэродинамики первичной зоны, выгорания топлива, стабилизации пламени, полей температуры газа на выходе из КС и их запуска в различных высотно-климатических условиях, характерных для КС МГТД, до сих пор остаются малоизученными, особенно в комплексной постановке.

Исходя из этого, были сформулированы цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена описанию комплекса созданных стендов, объектов, технологий испытаний и доводки камер сгорания малоразмерных ГТД. Дтя исследования отдельных стадий рабочего процесса и их характеристик, использовались различные модели и натурные камеры сгорания, которые можно разделить на ряд групп.

Первая группа (рисунок 1). Данная модель использовалась для установления закономерностей изменения аэродинамических параметров закрученного потока, температуры и состава смеси в зоне рециркуляции в зависимости от конструктивных и режимных параметров в модельных условиях.

Вторая группа. Модели данной группы использовались для изучения влияния конструктивных и режимных факторов на состав смеси, время пребывания продуктов сгорания в зоне рециркуляции вихревой горелки, при работе в составе камер сгорания.

Третья группа моделей (рисунок 2) использовалась для изучения механизма воспламенения TBC, влияния конструктивных и режимных параметров ка его характеристики.

Четвертая группа представляет собой натурные КС. В качестве объектов испытаний использовались камеры сгорания двигателей МД-120, МД-45, ВД-100, ВГТД-2, 9И53, охватывающие весь спектр схемных решений в данной области.

Рисунок 1 - Модель вихревой горелки Рисунок 2 - Модели камер с регулируемой закруткой воздуха сгорания для визуальных

наблюдений

Экспериментальные установки, стенды и системы измерении. Для исследования и доводки характеристик камер сгорания малоразмерных ГТД был создан специальный испытательный комплекс, включающий в себя: установку и специальные модели для визуализации течения; стенд для изучения аэродинамической структуры течения и массообмена в элементах первичной зоны КС; автоматизированные стенды для испытания натурных образцов КС МГТД и высотно-

J

климатических испытаний КС МГТД (рисунок 3). Данный комплекс был оснащен необходимыми средствами измерений.

В третьей главе рассмотрены основные стадии рабочего процесса камер сгорания малоразмерных ГТД.

Формы диффузоров, режимы течения и измерение критериев эффективности. Анализ конструктивных схем малоразмерных камер сгорания показал, что диффузоры для КС данного типа характеризуются целым рядом особенностей: отсутствием начального участка диффузора, наличием поворота части потока воздуха на 90... 180° во внутренний кольцевой канал (рисунок 4).

Для оценки характеристик диффузора за его длину 1д принимается расстояние от выходной кромки спрямляющего аппарата компрессора до миделевого сечения в кольцевых каналах камеры сгорания. При этом использовались следующие зависимости:

а^^/Р;- 2), Срк = (СВ^ГК) / Р'н,

где ид - степень раскрытия диффузора, егд - коэффициент восстановления полного давления в диффузоре, ¿?д - коэффициент восстановления гидравлических потерь в диффузоре, - сумма площадей наружного и внутреннего кольцевых ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ каналов, - площадь на выходе из

Рисунок 3 - Стенд для высотно-климатических испытаний камер сгорания МГТД

Рисунок 4 - Распределение воздуха С„ и осевых скоростей И'х в камере сгорания МГТД

шествующих камерах сгорания п.у изменяется в диапазоне от 1,5 до 2,5 (рисунок 5). Причем при лд < 2,0 удается обеспечить стабильное протекание процессов в камерах сгорания. Следует отметить, что суммарные потери полного давления в КС МГТД, находятся на том же уровне, что и в ПКС. Объясняется это тем, что МГТД, как правило выполняются с последней центробежной ступенью компрессора, имеющей приведенную скорость на выходе \ «0,1-5-0,15.

Распыливание топлива пневмомеханическими форсунками. Для исследования распыла топлива использовалась вихревая горелка с двухканальным подводом топлива Экспериментальные результаты по ней представлены на рисунке 6.

14 19 й > 1 й

& % / //\ i

7/. V, 1

V 9

При ДР,

тф

300 кПа,

среднии диаметр капель составляет ¿з2=80...200 мкм,

о.оз

0,06 0.1

0J 0,3

0.6

Cr

Рисунок 5 - Зависимость степени раскрытия диффузора я, от Gplt

при дальнейшем увеличении давления топлива диаметр капель уменьшается до (¡п -20...40 мкм. При подаче воздуха через завихритель размеры капель оказываются примерно одинаковыми независимо от подачи топлива по контуру.

Кроме того, в широком диапазоне конструктивных и режимных параметров изучено влияние диаметра сопла топливной форсунки, формы конфузорного насадка на выходе из горелки, влияния угла установки лопаток воздушного за-вихрителя и подвода вспомогательного воздуха к корню топливного факела на параметры распыла.

Вынужденное воспламенение топливно-воздушной смеси в камерах сгорания является сложным многостадийным явлением, зависящим от физико,-химических процессов, протекающих в первичной зоне. Поэтому, как правило, в практике изучения сложных физических явлений используется прием упрощения рассматриваемого явления и изучения отдельных составляющих его элементарных процессов. Для формирования

ai,210 ,м

160 120 80 40

ff !

V

/ 1 кыгал | л 2 /1 кан.+воздзав.

-0,6 2 мм

\

0

12 16 ДР^ю"2,кПа

Рисунок 6 - Зависимость среднего диаметра капель ¿32 от перепада давления топлива ЛР,^: 1 - конфузорный насадок; 2 - лопаточный завихритель

представления о физической картине процесса зажигания использовались данные различных исследований, в которых отсутствуют эксперименты с зоной обратных токов. На моделях, имитирующих первичную зону камеры сгорания, выполнена визуализация процесса воспламенения и распространения пламени (рисунок 7) TBC в камере сгорания от искрового источника.

При подаче энергии на свечу практически мгновенно искровой разряд создает небольшой сферический начальный очаг da, температура которого

настолько велика, что топливо, попадающее в эту зону, испаряется и сгорает.

а б в г

Рисунок 7 - Визуализация процесса воспламенение TBC и распространения пламени в модели камеры сгорания: а - г,; 6 - г2; в - г3; г - г4; г, < г2 < г3 < г4; 7;* = 280 К; коэффициент избытка воздуха- а% =0,95; диаметр камеры сгорания - DKC =0,056м; степень загромождения сечения - Br=D„! DK =0,2; скорость на входе в КС WK = 56 м/с

Если скорость выделения тепла при горении превышает скорость его тепло-отвода, то процесс развивается и пламя распространяется по объему первичной зоны, и наоборот, если скорость выделения тепла меньше скорости теплоотвода, то он затухает. Исходя из сказанного, следует, что для обеспечения воспламенения необходимо создать условия возникновения начального очага пламени у свечи (dj, проникновения пламени в зону обратных токов (ЗОТ) и воспламенения смеси в ней.

Эти условия описаны следующими уравнениями:

- условие возникновения начального очага

Гсм ~ rxp +

- условие возникновения пламени в ЗОТ

^"4(1 -Щ

- условие воспламенения смеси в ЗОТ

Гп » ACT V» _ ^-восп rr Wm-a > ' где гсм » гиог' Гчр> гп. гг • соответственно время смешения, испарения, химической реакции, пребывания, горения; WCB - скорость ТВС у свечи; UH - нормальная скорость распространения пламени; fVm, L2m, D30T - скорость, длина и диаметр ЗОТ; A/,80cn - критерий Михельсона, а - коэффициент температуропроводности, гСм = ^q/^c. ■ ~ расположение свечи относительно ЗОТ.

После преобразования этой системы уравнений ее можно представить в следующем виде:

Лет

Л

Особенности аэродинамической структуры течения и массообмена в первичной зоне для различных схем стабилизаторов: плохообтекаемых тел и вихревых горелок, описывались следующими зависимостями:

Z =

. пЗ с0,65 '

А. ДА

где Сггг - расход воздуха через горелку, р¥ - плотность воздуха, Окз - диаметр камеры закручивания вихревой горелки, 5В - степень закрутки воздуха.

Г4*3, м/с

А* .м/с

Э».....— -о-------- о дЧ V 2вк ои -м»« • -¡v-o.: •v.»,9 ......... ® -Är-OJ о -а,-».) D^-O-OSSn ■ •»>«

ДЧЧ о д ...... а V« О а -8, -0-4 °ч „ .....■А"«

« v «К,- |3к<с к а в л af*

10

BK"<i.i>56» 0,-0^...0.4

0„ -3.03S v

0,6

1,0

u

а 5

Рисунок 8 - Зависимость предельной скорости топливно-воздушной смеси на входе в КС от положения свечи относительно ЗОТ Ьсе / ¿гот (а) и комплекса Ка от коэффициента избытка воздуха ак (б)

Установлено что при значении коэффициента избытка воздуха ак «0,85...0,95 границы воспламенения достигают своего предельного значения по скорости потока. Это значение ак совпадает с оптимальным значением для турбулентной скорости распространения пламени.

При удалении свечи от фронтового устройства ухудшаются условия проникновения пламени в ЗОТ и значение ак снижается (рисунок 8, а и б).

Используя полученную модель, результаты предельных значений границ воспламенения были обобщены следующей зависимостью:

= Кв- 3,75-

П У

где А - эмпирическая константа.

Полученный параметр (100л/а/гп)првд, м/с представляет собой обобщенный комплекс, характеризующий предельные возможности КС по воспламенению однородной TBC.

Рабочий процесс вихревых горелок. Выгорание топлива и стабилизация пламени в вихревых горелках определяются гидродинамикой течения, физико-

химическими параметрами вытекающей из горелки топливно-воздушной смеси и массообменом между зоной рециркуляции и основным потоком. В силу многообразия схем горелок и влияющих факторов, показать влияние каждого из них в полном объеме не представляется возможным. Поэтому были рассмотрены наиболее распространенные в практике сжигания топлив схемы вихревых горелок.

Проведенные исследования аэродинамики течения, факела горения и состава смеси в зоне рециркуляции (рисунок 9), процессов массообмена между основным потоком и зоной рециркуляции (рисунок 10) позволили получить важные эмпирические зависимости и уточнить некоторые особенности рабочего процесса вихревых горелок на различных режимах работы.

10

\ * 4

\ дчффумо»! Чфа«л

ао\ гомогенный^, факел , \ а 1

ЕГ^

0,5 1,0 1,5 2,0 а,

0,5 1,0 1,5 2,0

Рисунок 9 - Зависимость X, от коэф- Рисунок 10 - Зависимость от ко-фициента избытка воздуха горелки аг эффициента избытка воздуха горелки при различных степенях закрутки ат Д™ диффузионного и гомогенного воздуха факелов

В четвертой главе рассмотрены особенности характеристик камер сгорания малоразмерных ГТД.

Аэродинамика и гидравлическое сопротивление. Знание аэродинамической структуры течения в камерах сгорания МГТД, имеет важное значение при их проектировании. При правильном сочетании решений в области аэродинамики подачи топлива в первичную зону возможно сокращение сроков проектирования и доводки конструкции камеры сгорания.

Если в большинстве существующих камер сгорания обтекание жаровой трубы, как правило, условно «симметричное», то в МГТД из-за вынужденных различных схемных решений - более сложное, что приводит к дополнительным потерям полного давления и, следовательно, к разнице статистических давлений на обечайках жаровой трубы (рисунок 11).

а б

Рисунок 11 - Визуализация течения в различных схемах камер сгорания МГТД: а - течение в прямоточной МГТД; б - течение в противоточной КС МГТД

Поэтому был проведен комплекс исследований, позволяющий установить количественные зависимости между параметрами, характеризующими аэродинамическую структуру течения в жаровой трубе. Результаты этих исследований были реализованы в виде усовершенствованной интегральной модели гидравлического расчета КС МГГД (таблица 1, рисунки 12 и 13).

Рисунок 12-Зависимость £кот отношения ЛГр / Fl. для исследуемых

вариантов КС МГТД: -о-, эксперимент,--расчет

Рисунок 13 - Зависимость относительного коэффициента гидравлического сопротивления жаровой трубы от отношения суммарной площади кольцевых каналов ,ГК1С к суммарной площади отверстий Ы^

Выгорание топлива в камерах сгорания малоразмерных ГТД. Выгорание топливно-воздушной смеси в камере сгорания - это сложный процесс, который определяется аэродинамикой течения в первичной зоне, конструктивными, режимными параметрами и размерами КС. Учитывая многообразие факторов, влияющих на выгорание TBC, его изучение и изложение результатов в данном разделе построено в следующем порядке: исследовалось выгорание топлива по длине жаровой трубы на природном газе (для исключения влияния жидкой фазы), определялось влияние на него конструктивных и режимных параметров, обобщались

Таблица 1 - Модель расчета коэффициента гидравлического сопротивления в КСМГТД

/Двигатель МД-120 МД-45 ВД-100

& при '1--—1 >гдсС = 1 + ^ „ р■ ,р > 2,5 принимаем пг = 2,5; Яе > 3500

к, = 1,43 к, = 1,35 к,= 1,2

с = 1,05 мК С=1

р = Р"+РШ кк кк кк

£ р УГГ 1 К г 1 = 26,94ехр(~10,12 //„,)); Рг = 0,12+0,3

4=0,974, V Г ^ 1 1 -0,008—^ Г /г -0,68 ехр--и- у

1 (л/^/О+0,9) ^о =

Г" При /г™ ЕХ <1,5, к. =к4и0,5 м М,

Для двигателя МД-120 при ^ = 0,294, к, =0,278, к4 = 0,385

£

к7 =0,58 елрх х(о,2х+0,Ьг2+0,06х3) При х>1, к, =0,83-3-0,85 к/=1 К/ = 1

к +1 при К = 1,4 (воздух)

Примечание: , , - коэффициенты гидравлических потерь диффузора, отверстий, камеры сгорания; - площадь фронтового устройства; Т* -температура газа перед турбиной; к, с - эмпирические константы, /л - коэффициент расхода.

по различным моделям и критериям полученные результаты для камер сгорания переменной размерности на жидком и газообразном топливах (рисунок 14).

ъ. 0,8 0,6

0,4 0.2

да»4«*

/ V

/ \

/ Пи

^пшах

7г,°/о 98 97 96 95

90

1

с"»1

** ♦ / V

ч : \

* V < » ч.

КС у мггд \ / > к

пкс о / к ~9,0 ^ ■ч Куч N NN N

0,2 0.25 „1.25т,-,

0.3

" 0.005 ОД 0.15

Кг(кг/с)/(ата1'ЬКм")

а б

Рисунок 14 - Зависимости коэффициента полноты сгорания от коэффициента избытка воздуха ак, (а) и параметра форсирования Ку (б): •Ф--КС МГТД: МД-120, МД-45, ВД-100, ВГТД-2, ГТД-350, ТВ2-117, ТВЗ-117, ТВ7-117, ВСУ ГТДЭ-117, изд. 30; ПКС: -о-ГТУ-89-СТ-20(газ), -п-Д-30,-и-СР6-50С,-п-Л8В-30,-*-Д-36;-Д- 1X30,-0- ЛГ30-7

ДО,

Рисунок 15 - Распределение расхода воздуха по длине жаровой трубы КС МГТД

На основе проведенных исследований была уточнена и реализована ниже приведенная модель расчета выгорания топлива в камерах сгорания. На основе анализа известных расчетных схем по выгоранию топлива, предложенных В.Е. Дорошенко, В.М. Янковским, Б.Г. Мингазо-вым, М.Т. Бортниковым и др., первичная зона разделялась условно на две части: зону прямого тока и зону рециркуляции. Поскольку последняя представляет область интенсивного турбулентного перемешивания и высокой температуры, то ее в первом приближении можно рассматривать как гомогенный реактор (рисунок 15).

Тогда, следуя из уравнений: - материального баланса

Е

а„ 8

=уасл^Ке

Яц 7ц.

-теплового баланса (Т'а-Т'^ + а^с^^Ни;

г р: 1

- уравнения состояния Свц =

вц 1

а.

Л>

- полноты сгорания в зоне рециркуляции г/т= а 6—-

"к!' А

^В^ехр^Щ/Л Г>п где А =- ^ -1--константа,

подставляя ^ = = в выражение для

ЛсАсА 1п(1 + /1М А)

получим зависимость для коэффициента избытка воздуха в первичной зоне:

х I т)г, = а,,а--.-г-.

1 | Да(1 + 1/ац^)(?вг

т^РкД&а-65

Полагая, что смешение воздуха с продуктами сгорания осуществляется мгновенно и, используя известные выражения для скорости химической реакции, зависимость изменения коэффициента полноты сгорания по длине КС можно представить в следующем виде:

£

(Г*)2

где Свц, СЕГ - расход воздуха проходящий через горелку и в зону рециркуляции; Г)тп - коэффициент полноты сгорания в зоне рециркуляции; Кц - объем зоны рециркуляции; Гц - температура в зоне рециркуляции; вт,Св- концентрация топ-

т* т*

лива и воздуха; Гц , Тк - температуры в зоне рециркуляции и на входе в горелку; IV - скорость химической реакции; - стехиометрический коэффициент; МЪ,МТ - молекулярный вес воздуха и топлива; Ь - линейные размеры камеры сгорания.

Результаты расчетов представлены на рисунке 16. Анализ их показывает,

что для большинства вариантов между т]г и е, существует однозначная вза-

а1

имосвязь, которая отражает влияние процессов, протекающих в первичной зоне, на выгорание топлива.

Изложенный метод дает вполне приемлемое качественное, а при введении поправки (<5 =0,92) и количественное, совпадение расчетных и экспериментальных данных. Как видно, разброс с точки зрения правомерности применения реак-

торной модели невелик. Однако в практических расчетах пока этот метод пригоден только как ориентировочный.

Стабилиза1)ия пламени в камерах сгорания малоразмерных ГТД. Если стабилизация пламени за плохообтекаемыми телами изучена достаточно полно, то работ по изучению выше отмеченного явления в закрученном потоке недостаточно. Что касается КС МГТД, то данной проблематике уделялось крайне мало внимания.

Поэтому в представленном разделе приведены исследования стабилизации пламени по изучению данного явления в закрученном потоке.

Рисунок 17 - Схема течения в первичной зоне КС МГТД с вихревой горелкой: £>к, - диаметр камеры закручивания; Ог От - расходы воздуха и топлива

= 6,5 (расчет)

а. =4,5-0 с^ = 6,5-«

Рисунок 16 - Изменение коэффициента полноты сгорания т]г по длине КС МГТД от коэффициента использования кислорода а: -о-, -•- эксперимент,--расчет

Это позволило разработать математическую модель стабилизации с учетом особенностей закрученных течений (рисунок 17). Принимая за критерий срыва пламени реакторной модели константу Bs (разработки Е.С. Щетинкова) и решая совместно систему уравнений:

- материального баланса

«л

— состояния

к

- теплового баланса

(К-Т'и)(1+ац1а)Сры=г!тНи, в общем виде критерий стабилизации пламени можно представить как

В=-

Л^СМ

ККУКХ)

Его можно преобразовать в удобный для практических расчетов вид: в =___

1 Крно3агХ/(ап,К)

Результаты обобщений «бедной» границы срыва пламени приведены на рисунке 18.

Формирование полей температур газа на выходе из камер сгорания малоразмерных ГТД. Если в большинстве существующих камер сгорания обтекание жаровой трубы, как правило, «симметричное», то в малоразмерных ГТД из-за различных схемных решений - более сложное, что приводит к дополнительным потерям полного давления во внутреннем кольцевом канале и, следовательно, к разнице статических давлений на стенках жаровой трубы.

3, ,(м^/кг с К0'5)

25

50

75

100

125Свх,м/с

05»® 1д 1

(*)тах

0,3 0.2

: • 4 I

>

______ у*/

——

Рисунок 18 - Результаты обработки срывных границ пламени в вихревых горелках:

- Л - горелки ПКС, - • - горелка КС МГТД, - о - КС МГТД

1,3 щ/Рк

0,9 1 1.1 1,2 Рисунок 19 Зависимость характеристик поля температуры газа на выходе из КС двигателя МД-120

&ГХ и @тах от Щ / /г

На рисунке 19 приведено влияние раскрытия жаровой трубы (в данном случае за счет уменьшения площади на характеристики КС двигателя МД-120. При распределении воздуха по смесителям согласно рекомендациям для ПКС (£Г0/^к = 1,30...1,34)от характерен высокий уровень неравномерности поля температуры газа (вГ"* 0,35-0,37), (в"™ наличие нагара на внутренней

стенке жаровой трубы и низкий уровень полноты сгорания.

Как показывают исследования, минимальный уровень окружной и радиальной неравномерности поля температуры газов достигается при равных расходах воздуха через наружный и внутренний смесители.

Так как наружная обечайка жаровой трубы камер сгорания МГТД находится под избыточным перепадом давления, то можно предположить, что любые неравномерности потока на выходе из диффузора, прежде всего, оказывают влияние на характеристики поля температуры газа (ПТГ) в окружном направлении.

В качестве примера приведено влияние остаточной закрутки потока воздуха на выходе из компрессора (р^) ■

Минимальное значение 0"™ «0,22^-0,24 (рисунок 20) достигается при

смещении отверстий смесителя относительно первого ряда на наружной обечайке жаровой трубы на угол (ргхт «17° от исходной компоновки, что примерно равно углу выхода потока из спрямляющего аппарата компрессора. В такой конструкции реализуется «шахматное» расположение струй между отверстиями первого ряда и наружного смесителя, что способствует более интенсивному смешению и выравниванию поля температуры газа в окружном направлении.

ет гр= =п

0.4-----—— -

-11- -5=30- о 11= 5=30'^,град

Рисунок 20 - Влияние остаточной закрутки воздуха на выходе из компрессора на характеристики ПТГ КС двигателя МД-120: 7;*=423КЛ=0,25,«к=4,6 Кроме того, изучено влияние геометрических параметров КС и неравномерности распределения топлива по форсункам на характеристики выходного поля температуры газов (рисунок 21), неравномерность распределения топлива выражается через коэффициент Кт =(Стгтгх-Стт,„)/Отср.

Так как уровень минимальной окружной неравномерности наблюдается при равенстве расходов воздуха через наружный Ст^ и внутренний Свв" смесители, то одним из направлений обеспечения равномерного поля температур в КС МГТД прямоточной схемы является поиск способов выравнивания расходов через смесители. Как показывают исследования, этого можно достичь выравниванием профиля скорости на входе в наружный смеситель путем выбора соответствующего шага между отверстиями первого ряда и смесителя на наружной обечайке ЖТ при неизменной площади отверстий первого ряда. В этой же главе рассмотрено влия-

ние режимных параметров (Гк\ р*, ак, Лк ) на уровень и &Г. Показано, что

величины Тк, ак и \ оказывают значительное влияние на окружающую неравномерность ПТГ камер сгорания МГТД.

Таким образом, результаты экспериментальных исследований по влиянию конструктивных и режимных параметров на характеристики выходного поля температур позволили более обоснованно выбрать математические модели для расчета &™х и в™х и установить взаимосвязь между этими величинами.

Анализ результатов экспериментальных и теоретических исследований показывает, что физическую модель процесса формирования поля температуры газа

/-\inax

можно представить в виде:

=а т.. • „. /. з. г'Л

ч> -> г ' ' фр' К

Г

V жт

Три первых параметра определяют глубину проникновения струй воздуха в сносящий поток, величина Ь - длину, на которой происходит перемешивание, К к Тк - Параметры воздуха на входе в камеру сгорания.

Результаты исследований для КС МГТД были представлены целесообразно представить в виде следующих зависимостей (рисунок 22):

9Г при Щ/Р^сом, <9Г=/(афр); при I «сом.

(н) Я® ф

0,9 0,6 0.3

0

у 1 И).55

\/ 1 Ия

¿л -- ■ ; ^ V1-75; 1

0,3 0,6 0,9 1.2 1.5

0,4

0Л фт'ах И

2,0 1,6 1,2

Рисунок 21 - Влияние неравномерности распределения топлива по форсункам на характеристики ПТГ КС двигателя МД-120: <Л - расход топлива, АРГ - перепад давления топлива на форсунке; Т'к =423 К, Л* =0,25, агк =4,6

Рисунок 22 - Зависимость <9™х от а^

для камер сгорания различной размерности:

-ПКС, — КС МГТД (расчет);

КС МГТД (эксперимент)

Используя методы регрессионного анализа, для величины 6>™х получена следующая зависимость:

@Г =

0,0129 0.25 -0,18 ехр Н -N ехр - —--)' Щ,)

2/-07< \ (1.2 + 0.9П2 (/г0-25-0,633) 1 ' т>

+0,2\ехр(-\0аъ)

где С —1,6 /г ехр(-0,91г2\ «о =0,78 + 0,168 /г218.

Влияние режимных параметров Г* и Ак можно представить в виде произведения двух функций /(7;*Л) = /( 4)' если представить эти зависимости в безразмерном виде:

/(тГ)= 5(Гк'-0,82б)2 + 2,037 ехр(-0,7474?к*),

/(Дс)= 2,864^-I)2+ 0,124(^-1)+1,0085 . Физическая модель уровня радиальной неравномерности имеет следующий

вид:

&г=к(&Г) ,

\ /ид

где (&Г) радиальная неравномерность расчётной эпюры, которая определяется

V /яд

только температурой и количеством воздуха, поступающего через проходное сечение системы охлаждения: К = /(/<0/^жг;«фр; О - поправочный коэффициент.

Корреляционно-регрессионные модели расчёта в"кк и справедливы

для геометрически подобных КС МГТД рассматриваемых схем с расходом воздуха <3В =0,3...2,5 кг/с в следующем диапазоне изменения конструктивных и режимных параметров: афр =0,3...1,5; ^/2^=1,2.-3,0; / =0,12...0,35;

4 =0,875...1,96; ^ =0,6-1,4; Гк* =0,63... 1; ^ <1,7;

при соблюдении следующих условий:

- отсутствие неконтролируемых утечек воздуха через щели для установки форсунок, горелок, свечей зажигания и т.д.;

- КС выполнена в пределах установленных технологических допусков;

- время наработки КС граб < 40 час;

- коэффициент неравномерности распределения топлива по форсункам Кт<0,2.

Кроме того показано, что величина минимально достижимой максимальной радиальной неравномерности (б»™")™,, зависит от размерности двигателя (рисунок 23).

Выражение для определения минимально достижимой радиальной неравномерности можно обобщить следующими зависимостями:

K*L=11 +2(3'017CV-8'628Gp2K-0,1 при GpK = = 0,05...0,2;

(0Г)„ця=1+(О,295ехРО,О82^)0Г> при Gpl! =0,2...2,6.

Воспламенение тотивно-воздушной смеси в камерах сгорания МГТД. Представлены результаты экспериментального исследования влияния параметров потока воздуха, параметров системы зажигания, свойств топлива и качества TBC на пусковые характеристики камер сгорания МГТД. Проведен анализ и обобщение полученных экспериментальных данных по воспламенению TBC. Показано, что снижение температуры (Т') и давления (Р*) приводит к смещению «бедной» границы в область более богатых значений по ак и. кроме того, к снижению предельных значений а""' и 4прел (рисунки 24, 25).

(в'"- _

КС двигателей

-■-вд-100

-о- МД-120 -▼•МД-45 -Х-Д20П -а-твз-117 -0-ТА-6А -♦-АП-24

- е-нк-12

-?-НК-144

0,03 0,06 0,1 ОД 0,3 0,6 1 2 3 С?^,(кгсК5 ->кПа

Рисунок 23 - Зависимость минимально достижимой величины радиальной неравномерности поля температуры газа на выходе из КС от G

^ ' min Рк

Это объясняется ухудшением качества TBC, перераспределением топлива в первичной зоне и ухудшением его испарения

2,0

1,2

0,4 •¡пред

0.18

-О- КСдвнгатслж МД-120 43- КСлмпга»ВГТД-7 КС днмгатетя ВД-100 ^

F.f»J Дж rj«2ss К jg^ ЛГ

Ж

0,14 20

с'wtB

ггтбГ йШ] W&

2,8

2.0

1.2

0.4 ;пред

'■к

0,18 0.14

40

60

80

Р. .кПа

-о- КС л*пп*д* МД-120

-О- КС лмгвтсля ВГТД.2 КСлмптеи ад-ioo /

Е..-1Д» lirr11 Яг*

T-^Z/tf,

220

240 260

Рисунок 24 - Влияние давления воздуха на входе в КС Р* на а'""' и А,,рсд

Рисунок 25 - Влияние температуры воздуха на входе в КС Т*

Влияние энергии системы зажигания на запуск камер сгорания исследовалось на КС двигателей МД-120 и ВГТД-2. Установлено, что увеличение энергии системы зажигания Ее в диапазоне 1-^3 Дж позволяет улучшить характеристики

воспламенения (рисунок 26).

Устойчивое воспламенение смеси в камере сгорания в значительной степени зависит от концентрации паров топлива у свечи, которая определяется качеством подготовки смеси и свойствами топлива.

Учитывая, что в малоразмерных ГТД используются различные топлива, было исследовано влияние температуры и вязкости топлива на пусковые характеристики КС. Уменьшение температуры топлива приводит к уменьшению предель-и

ных значении а,

тах

<а

2.0

1.5

_0_ КСлшя -Д- КС жт а»МД-12» З.ВД400

ЧГ"' тЁ-гмк 1(1»

1.0

2.0

£с,Дж

i.o 0.8 0.6

К-7 Л 9.3кПг , КГ: М"' г-, мм"' ^ п( -о-рт-п-т-б г. =-40-С)5,0 60

я,-с ,8

1

10

V. мм* /с

Рисунок 26 - Зависимость а"ах при запуске КС от энергии системы зажигания Е',

Рисунок 27 - Влияние вязкости топлива уна воспламенение TBC в КС двигателя МД-120

Это связано как со снижением скорости испарения, так и с ухудшением качества распыливания топлива из-за увеличения вязкости.

Как показали проведенные испытания (рисунок 27), увеличение вязкости топлива приводит к значительному ухудшению пусковых свойств камеры сгорания.

Для улучшения качества подготовки смеси использовался подвод воздуха

(азота) к корню топливного факела. Проведенные исследования позволили оценить влияние подвода воздуха на пусковые характеристики (рисунок 28) и выбрать оптимальное соотношение между давлением подводимого воздуха к корню топливного факела и давлением топлива.

Для обобщения экспериментальных данных в работе использована модель воспламенения, основанная на принципе теплового баланса в виде соотношения характерных времен:

2,0

1.0

-л- Т^-Тг-240 К Р* - 79,4 кПа

о 1 1 Зг=(^)

Рисунок 28 - Зависимость коэффициента избытка воздуха а"™ на границе устойчивого воспламенения от параметра П

'1 леи •

Проведенные расчеты и их анализ показали, что процесс воспламенения смеси в камерах сгорания определяется в большей степени процессом испарения топлива. Значения гисп на два порядка больше значений гсм и гхр, величина времени испарения при этом, зависит в основном от диаметра капель (рисунок 29 301 топлива ¿ъг.

Учитывая это, был проведен анализ изменения диаметра капель топлива ¿32 вдоль границы устойчивого воспламенения.

WO"3,с

0.2

0.1

¡-О- Р^оЗДкПа -Л- р" . 61.4 «Па

ист N КС МЛ-12(|

- *- Tt - .КЗ к > -0-Ti.-27JK Pj - 7« «П>

25 20 15

0,02 0.06

0,10 0.14

Лс

№

О-т^-тк

_- 79« «Ла 'ГР

KCnmt. «МД-Ü! /

EtocuiwctWHHc J^ ИСТ «XU

17J -o- p; - »i «Па

ж

-a- p;- 61.4 üb

l l 2*7 К

50 75

100 125

Рисунок 29 - Зависимость времени смешения гсм от \ при различных

значениях Р' и Т'

¿з210"*, м

Рисунок 30 - Зависимость времени испарения гисп от ¿32 на границе воспламенения при различных значениях Р' и Т'

В результате получена зависимость d32 = f(ÄK), которая хорошо описывается уравнением:

¿32 = 146,893-651,778^, и позволяет определять значения потребных размеров капель d™v для обеспечения воспламенения при заданном значении Ак.

Экспериментальные данные на бедной границе воспламенения для камер сгорания двигателей МД-120 и ВГТД-2 (1-я зона) были описаны единым уравнением: г

гсм =-0,03598 + 0,38556(7^ +0,0210, а для камеры сгорания ВД-100 - уравнением:

гсм = -0,0327 - 0,05264(гхр +0,021^).

Полученные корреляционно-регрессионные модели использовались для оценки «бедной» границы воспламенения TBC при проектировании геометрически подобных КС.

Пятая глава посвящена описанию способов и средств реализации полученных результатов исследований в практику проектирования и доводки камер сгорания малоразмерных ГТД. На основе выполненных исследований и обобще-

ний разработаны алгоритм и методики расчета КС МГТД, которые успешно реализованы при доводке характеристик КС двигателей МД-120, МД-45. ВД-100, ВСУ-120 и выборе параметров КС двигателя НК-123 (рисунок 31).

Сравнение показало, что использование данного алгоритма и разработанных эмпирических методик позволяет с достаточной степенью точности использовать полученные модели для выбора геометрических и режимных параметров камер сгорания малоразмерных ГТД с Св <2,5 кг/с. На основе проведенных исследований и обобщений возможно рекомендовать следующие диапазоны изменения конструктивных и режимных параметров для КС МГТД: Кг =0,05...0,2;

^=1,7...2,0; Щ/К/К= 0,12.. .0,25; ОС =0,75...0,85; =1,15...1,35.

ВР = 0,45...0,55; =(0,1...0,15)АП;

Схема КС. габаритные размеры

(О^тз—- <7фр;1г:^.=к, ¿..^(номочшлв)

К.

Ужг = ^ср^жг л«,

*

8

£ а

\

»

Геометрия камеры сгорания

Рисунок 31 - Структурная схема расчета конструктивно-геометрических размеров и оценки интегральных параметров КС МГТД на этапе эскизного проектирования с использованием статистических данных

Таблица 2 - Внедрение результатов исследований в практику проектирования, промышленное производство и учебный процесс_

№

Предмет внедрения

Алгоритм и методика оценки проектных параметров КС МГТД

Методика расчетно-статистической оценки интегральных параметров и характеристик КС МГТД при переводе с жидкого топлива на природный газ

Наименование предприятия

МКБ «Гранит», СНТК имени Н.Д. Кузнецова

ККБМ

Форма использования результатов

I ОКР

ОКР

Иллюстрации

НОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ

Конструкция жаровой трубы КС двигателя МД-120

Вихревые горелки камер сгорания двигателей НК-16СТ и НК-ЗОСТ

Газовые форсунки двигателей ГТУ-89 СТ20, ГТУ-95, ДГ-4М и МД-120

МКБ «Гранит»

КМЗ. ККБМ

МКБ «Гранит», НПО «Мотор», КОМБ

Серийное производство Патент

№ 2033545 РФ Серийное производство и ОКР

Серийное производство и ОКР

Усовершенствованная техно логия высотно-климатических испытаний КС МГТД

ТЕХНОЛОГИИ ЭКСПЕРИМЕНТА

МКБ «Гранит», КБ «Гидравлика»

: ОКР и НИР

Учебная установка по распылу топлива

Учебная установка по горению

УЧЕБНЫЙ ПРОЦЕСС

СГАУ

СГАУ

Лабораторные работы. УИРС

Лабораторные работы. УИРС

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненного комплекса теоретических и экспериментальных исследований решена важная научно-техническая проблема повышения эффективности рабочего процесса камер сгорания малоразмерных ГТД за счет разработки теоретических и экспериментальных методик, инженерных и практических рекомендаций по выбору проектных параметров, созданию новых конструкций КС МГТД (таблица 2).

1. На основе статистического анализа конструктивных и режимных параметров в зависимости от размеров двигателя, выявлены основные закономерности их изменения, а также факторы, являющиеся определяющими.

2. Впервые разработаны физическая и математическая модели воспламенения топливно-воздушной смеси с учетом аэродинамической структуры течения и физико-химических процессов, протекающих в первичной зоне КС; экспериментально исследовано воспламенение однородной и двухфазной TBC в моделях камер сгорания; установлены эмпирические зависимости пределов воспламенения от скорости набегающего потока, местоположения свечи, конструктивных и режимных параметров.

3. Выполнены экспериментальные исследования рабочего процесса в вихревых горелках; установлено влияние конструктивных и режимных параметров на состав смеси и массообмен в зоне рециркуляции; получены эмпирические зависимости, в том числе для оценки границ стабилизации пламени в закрученном потоке.

4. Усовершенствованы методы испытаний, создано новое стендовое оборудование с использованием средств автоматизации для исследования рабочего процесса камер сгорания МГТД в различных высотно-климатических условиях.

5. Установлены эмпирические зависимости полноты сгорания от конструктивных и режимных параметров камер сгорания. На основе выполненных исследований и известных методов расчета полноты сгорания разработана модель расчета выгорания топлива, позволяющая на стадии проектирования оценить влияние различных факторов на //г для геометрически подобных камер сгорания.

6. Определено влияние конструктивных и режимных параметров на неравномерность поля температуры газа на выходе из КС МГТД; разработаны корреляционно-регрессионные модели, позволяющие прогнозировать выходные характеристики поля температуры газов; получена математическая модель определения его минимального достижимого уровня радиальной неравномерности.

7. Изучено влияние параметров потока воздуха, свойств топлива и характеристик системы зажигания на предельные значения пусковых характеристик камер сгорания МГТД, разработана модель оценки границ запуска камер сгорания МГТД в различных высотно-климатических условиях.

8. В результате выполненных исследований разработан метод расчета конструктивно-геометрических размеров и оценки интегральных характеристик КС МГТД на этапе эскизного проектирования с использованием статистических данных, усовершенствована технология проведения испытаний камер сгорания МГТД в различных высотно-климатических условиях, а также созданы конструкции устройств, обеспечивающие заявленные характеристики КС, которые внедре-

ны на предприятиях авиадвигателестроения: Московском машиностроительном конструкторском бюро «Гранит» (г. Москва - 1990 г.), Калужском опытном бюро машиностроения (г. Калуга - 1991 г.), Уфимском научно-производственном объединении «Мотор» (г. Уфа - 1992 г.), Уфимском конструкторском бюро «Гидравлика» (г. Уфа - 1993 г., 2013 г.), Куйбышевском моторном заводе (г. Куйбышев -1983 г.), Самарском научно-техническом комплексе имени Н.Д. Кузнецова (г Самара-2005 г.).

Ряд конструкторских разработок признаны изобретениями, а научные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Изобретения.

1. A.c. № 1048242 СССР. Горелочное устройство / Абрашкин В.Ю., Кныш Ю.А., Ланский A.M. и др.; заявитель и обладатель Куйбышевский ордена Трудового Красного Знамени авиационный институт им. акад. С П. Королева. -№3242853; заявл. 15.12.80; опубл. 15.06.83, Бюл.№ 38. -3 с.

2. A.c. № 1244995 СССР. Воспламенитель камеры сгорания газотурбинного двигателя / Кныш Ю.А., Ланский A.M., Лукачев C.B. и др.; заявитель и обладатель Куйбышевский ордена Трудового Красного Знамени авиационный институт им. акад. С.П. Королева. - № 3798718: заявл. 8.10.84; опубл. 15.03.86 Бюл № 42 -3 с.

3. A.c. № 1279307 СССР. Кольцевой топливный коллектор камеры сгорания газотурбинного двигателя / Кныш Ю.А., Лукачев В.П., Лукачев C.B., Ланский A.M.; заявитель и обладатель Куйбышевский ордена Трудового Красного Знамени авиационный институт им. акад. С.П. Королева. - № 3921919- заявт 26 06 85' опубл. 22.08.86, Бюл. № 44. - 3 с. ' '

4. A.c. № 1282631 СССР. Кольцевой топливный коллектор камеры сгорания газотурбинного двигателя / Лукачев C.B., Ланский A.M., Белоусов А.Н.; заявитель и обладатель Куйбышевский ордена Трудового Красного Знамени авиационный институт им. акад. С.П. Королева. - № 3920739; заявл. 28.06.85; опубл. 8.09.86, Бюл. № 44. - 3 с.

5. A.c. № 1706281 СССР. Фронтовое устройство камеры сгорания газотурбинного дзигателя/Ланский A.M.; заявитель и обладатель Куйбышевский ордена Трудового Красного Знамени авиационный институт им. акад. С.П. Королева. -№ 4779361; заявл. 9.01.90; опубл. 15.09.91, Бюл. № 64. -3 с.

6. Пат. 2033545 Российская Федерация. МПК6 F 02С7/00. Жаровая труба кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя с центробежным компрессором. Шамбан М.А., Файнгелерин Э.Т., Быченков Е.Ю., Ланский A.M., Абрашкин В.Ю.; Машиностроительное конструкторское бюро «Гранит». -№3208882/06; заявл. 24.08.88; опубл. 20.04.95.

Монография.

7. Ланский, A.M. Камеры сгорания малоразмерных ГТД / A.M. Ланский, С.В Лукачев, С.Г. Матвеев // Издательство СНЦ РАН. - Самара, 2009. - 335 с.

Статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.

8. Белоусов, А.Н. Особенности течения закрученного потока в канале вихревой форсунки / А.Н. Белоусов, Ю.А. Кныш, A.M. Ланский // Известия вузов, Серия «Авиационная техника», 1978. - №3. - С. 144-148.

9. Ланский, A.M. Вынужденное зажигание топливно-воздушной смеси в камерах сгорания малоразмерных ГТД / A.M. Ланский, C.B. Лукачев, С.Г. Матвеев // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет), 2010. -№1.-С. 145-154.

10. Ланский, A.M. Особенности формирования полей температуры газа на выходе из камер сгорания малоразмерных ГТД / A.M. Ланский, C.B. Лукачев, С.Г. Матвеев // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет),

2010.— № 1.-С. 155-159.

11. Ланский, A.M. Аэродинамическая структура течения и гидравлические потери в камерах сгорания малоразмерных ГТД / A.M. Ланский, C.B. Лукачев, С.Г. Матвеев // Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации, 2011.-№ 163.-С. 144-150.

12. Ланский, A.M. Исследование характеристик запуска камер сгорания малоразмерных МГТД / A.M. Ланский, C.B. Лукачев, С.Г. Матвеев // Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации, 2010. - № 163. - С. 221 -223.

13. Ланский, A.M. Исследование аэродинамики и массообмена в вихревых горелках камер сгорания газотурбинных двигателей / A.M. Ланский, C.B. Лукачев, С.Г. Матвеев // Электронный журнал «Труды МАИ», 2010. -№ 41. -9 с.

14. Ланский, A.M. Статистический анализ влияния размерности на параметры камер сгорания ГТД / A.M. Ланский, C.B. Лукачев, С.Г. Матвеев // Электронный журнал «Труды МАИ», 2010. -№41. - 8 с.

15. Матвеев, С.Г. Моделирование процесса горения пропана при переводе камер сгорания ГТД на газообразное топливо / С.Г. Матвеев, A.M. Ланский, М.Ю. Орлов, В.Ю. Абрашкин, Д.Н. Дмитриев, A.B. Семенов // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет), 2012. - №5(29).-С. 168-178.

16. Лукачев, C.B. Модель расчета гидравлического сопротивления камер сгорания малоразмерных ГТДУ C.B. Лукачев, В.Ю. Абрашкин, A.M. Ланский, С.Г. Матвеев// Вестник Самарского государственного университета путей сообщения, 2012. - №3 (17). - С. 94-98.

17. Ланский, A.M. Влияние подвода вспомогательного воздуха к корню топливного факела на качество подготовки топливно-воздушной смеси и запуск камер сгорания малоразмерных ГТД / A.M. Ланский, C.B. Лукачев, С.Г. Матвеев // Вестник Самарского государственного университета путей сообщения, 2012. -№4 (18).-С. 77-80.

18. Ланский, A.M. Исследование распыливания топлива пневмомеханическими форсунками / A.M. Ланский, C.B. Лукачев, С.Г. Матвеев // Электронный журнал «Труды МАИ», 2012. - №17. - 12 с.

19. Ланский, A.M. Формы, режимы течения и критерии эффективности диффузоров камер сгорания малоразмерных ГТД / A.M. Ланский, C.B. Лукачев, С.Г. Матвеев // Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации, 2013. - №197. - С. 16-19.

20. Лукачев, C.B. Корреляционно-регрессионная модель расчета окружной неравномерности поля температуры газа на выходе из камер сгорания малоразмерных ГТД / C.B. Лукачев, В.Ю. Абрашкин, A.M. Ланский // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет), 2013. - №3(41). -С.118-124.

21. Лукачев, C.B. Корреляционно-регрессионная модель расчета радиальной неравномерности поля температуры газа на выходе из камер сгорания малоразмерных ГТД / C.B. Лукачев, В.Ю. Абрашкин, A.M. Ланский // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академиха С.П. Королева (национальный исследовательский университет), 2013. - №3(41). -С.125-130.

22. Матвеев, С.Г. Разработка алгоритма проектировочного расчёта камеры сгорания для микротурбинной энергоустановки / С.Г. Матвеев, В.Ю. Абрашкин,

A.М. Ланский // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет), 2013. -№3(41). - С. 146-153.

Статьи в научно-технических сборниках.

23. Григорьев, В.А. Оптимизация проектных параметров рабочего процесса турбовальных ГТД для многоцелевого вертолета / В.А.Григорьев, A.M. Ланский,

B.Г. Маслов // Вопросы проектирования и доводки малоразмерных ГТД и их элементов: Сб. научных трудов. - Куйбышевский авиац. ин-т. - Куйбышев 1975 -

C.16-21.

24. Белоусов, А.Н. Автоматизированная обработка показаний термоанемометра при изучении закрученных потоков / А.Н. Белоусов, A.M. Ланский // Автоматизация экспериментальных исследований: Сборник докладов Всесоюзной научно-технической конференции. - Куйбышевский авиац. ин-т. - Куйбышев 1978.-С. 154-155.

25. Белоусов, А.Н. Исследование вихревых газовых форсунок для камер сгорания авиационных ГТД / А.Н. Белоусов, A.M. Ланский, C.B. Лукачев // Комбинированные и газотурбинные установки: Сборник докладов Всесоюзной научно-технической конференции. - М., 1979. - С. 95-96.

26. Кныш, Ю.А. Воздействие вращающегося акустического поля на аэродинамическую структуру струи / Ю.А. Кныш, A.M. Ланский // Теплообмен в энергетических установках: Сборник докладов Всесоюзной научно-технической конференции. - Тульский политехнический ин-т. - Тула, 1979. - С. 34-35.

27. Ланский, A.M. Особенности перевода кольцевых многофорсуночных камер сгорания на природный газ / A.M. Ланский //Республиканская научн. -техн. Конференция молодых ученых и специалистов: Сборник тезисов. - Куйбышевский авиац. ин-т. - Куйбышев, 1980.-С. 18-19.

28. Ланский, A.M. Влияние геометрии вихревых горелок на характеристики камер сгорания ГТД, работающих на природном газе / Республиканская науч. -

техн. конференции молодых ученых и специалистов: Сборник тезисов. - Куйбышевский авиац. ин-т. - Куйбышев, 1980. - С. 19-20.

29. Ланский, A.M. Исследование различных схем фронтовых устройств камер сгорания авиационных ГТД, работающих на природном газе / A.M. Ланский, Д.А Лосев// Вопросы прикладной математики и авиационной техники: Сб. научных трудов. - Куйбышевский авиац. ин-т. - Куйбышев, 1980. - 8 с. - Деп. в ВШИТИ 18.03.81, № 1210-81.

30. Дружин, А.Н. Исследование турбулентной структуры закрученного потока в вихревом парогенераторе / А.Н. Дружин, A.M. Ланский, В.Е. Нигодюк// Вихревой эффект и его промышленное применение: Сб. научных трудов. - Куйбышевский авиац. ин-т. - Куйбышев, 1981. - С. 379-383.

31. Лукачев, В.П. Влияние конструктивных параметров вихревых газовых горелок на характеристики кольцевой авиационной камеры сгорания / В.П. Лукачев, А.Н. Белоусов, A.M. Ланский, C.B. Лукачев // Горение в потоке: Межвузовский сборник. - Казань, 1982. - С. 61 - 64.

32. Белоусов, А.Н. Влияние интенсивности закрутки первичного воздуха на процесс выгорания газообразного топлива в авиационной камере сгорания / А.Н. Белоусов, А.М Ланский, C.B. Лукачев // Горение в потоке: Межвузовский сборник. - Казань, 1982. - С. 61 - 64.

33. Ланский, A.M. Влияние конструктивных и режимных параметров на эффективность горения природного газа в кольцевых авиационных камерах сгорания / A.M. Ланский, C.B. Бондаренко, A.C. Фрейдин, В.В. Токарев // Наземное применение авиадвигателей в народном хозяйстве: Сб. научных трудов. - М.: ВИМИ, 1982. - С. 123-127.

34. Лукачев, В.П. О механизме выгорания природного газа в кольцевых камерах сгорания авиационных ГТД / В.П. Лукачев, A.M. Ланский // Газотурбинные и комбинированные установки: Материалы Всесоюзной межвузовской конференции.-М., 1983.-С. 141-142.

35. Каясов, А.Б. Влияние угла установки лопаток и формы завихрителя вихревой горелки на выгорание топлива / А.Б. Каясов, A.M. Ланский, A.M. Цыганов // Механика жидкости и газа: Сб. научных трудов. - Куйбышевский авиац. ин-т. -Куйбышев, 1986. - 8 с. - Деп. в ВИНИТИ 2.07.86, № 4820-86.

36. Ланский, A.M. Исследование рабочего процесса вихревой горелки на природном газе / A.M. Ланский, C.B. Лукачев; Куйбышевский авиац. ин-т. - Куйбышев, 1986. - 19 с. - Деп. в ЦНТИ ГА 13.11.86, № 446-ГА.

37. Веппе, А.Б. Влияние параметров воздуха на запуск камер сгорания ГТД / А.Б. Веппе, П.Г. Зубков, A.M. Ланский; Куйбышевский авиац. ин-т. - Куйбышев, 1990. - 9 с. - Деп. в ЦНТИ ГА 19.07.90, № 816-ГА 90.

38. Веппе, А.Б. К вопросу моделирования процесса запуска в камерах сгорания ГТД./ А.Б. Веппе, П.Г. Зубков, A.M. Ланский; Куйбышевский авиац. ин-т. -Куйбышев, 1990. - 12 с. - Деп. в ЦНТИ ГА 22.11.90, № 822-ГА 90.

39. Кныш, Ю.А. Установка для определения характеристик двухфазных потоков / Ю.А. Кныш, A.M. Ланский, A.A. Диденко // Информационный листок о научно-техническом достижении №91-67, Куйбышевский МТЦ НТИ и П. - Куйбышев, 1991.-4 с.

40. Абрашкин, В.Ю. О формировании полей температуры газа на выходе из прямоточной камеры сгорания малоразмерного ГТД / В.Ю. Абрашкин, A.M. Лан-ский, О.В. Христюк // Газотурбинные двигатели установки: Сборник матеиралов Всесоюзной научно-технической конференции. - Казанский авиац. ин-т - Казань 1993.-С. 25-26.

41. Ланский A.M. К вопросу стабилизации пламени в закрученном потоке / A.M. Ланский, О.В. Савченко // Вихревой эффект и его применение в технике: Сб. научных трудов. - Самарский гос. аэрокосм. ун-т. - Самара, 1993. - С. 210-213.

42. Диденко, A.A. Исследование распыления жидкого топлива пневмомеханическими форсунками / A.A. Диденко, A.M. Ланский; - Самарский гос аэрокосм. ун-т. - Самара, 1993. - 25 с. - Деп. в ВИНИТИ 11.12.93, № 353 - В93.

43. Абрашкин, В.Ю. Проект камеры сгорания малоразмерного ГТД с расходом рабочего тела 0,3 кг/с / В.Ю. Абрашкин, A.M. Ланский, A.B. Семенов // Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе: Сборник докладов международной научно-технической конференции. - Самарский гос. аэрокосм. ун-т. - Самара, 1997. - С. 115-120.

44. Лукачев, C.B. Десятилетний научно-технический задел лаборатории горения СГАУ по качеству распыливания топлива форсунками тепловых двигателей/ C.B. Лукачев, A.M. Ланский, A.A. Диденко / Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе: Сборник докладов международной научно-технической конференции. - Самарский гос. аэрокосм, ун-т - Самаоа 1997.-С. 11-39. ' Р

45. Диденко, A.A. О некоторых закономерностях взаимосвязи характеристик камер сгорания с качеством распыливания топлива и параметрами смеси / A.A. Диденко, ЮЛ. Ковылов, A.M. Ланский // Проблемы и перспективы развития двигателя строения в Приволжском регионе: Сборник докладов международной научно-технической конференции. - Самарский гос. аэрокосм, ун-т - Самаоа.

1997.-С. 106-113. " ^^

46. Лукачев, В.П. Рабочий процесс камер сгорания малоразмерных ГТД, проблемы, некоторые пути повышения его эффективности / В.П. Лукачев, А.м! Ланский, А.Ю. Абрашкин, A.A. Диденко, П.Г. Зубков, Ю.Л. Ковылов, С.Г. Матвеев, A.M. Цыганов, М.А. Шамбан, В.А. Яковлев // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева, Серия: Процессы горения, теплообмена и экологии тепловых двигателей - 1998 -Вып. 1-С. 11-39.

47. Ланский, A.M. Исследование процесса горения природного газа в кольцевых камерах сгорания авиационных ГТД / A.M. Ланский // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева, Серия: Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей -

1998. - Вып.1 - С. 228-240.

48. Ланский, A.M. Разработка и исследование характеристик опытной камеры сгорания микро ГТД / A.M. Ланский, A.M. Цыганов, В.И. Фетисов, М.А. Шамбан // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени С.П. Королева, Серия: Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей. - 1998. - Вып. 1 - С. 240-246.

49. Лукачев, C.B. Достижения НИЛ-49 (СГАУ) в технике диагностики качества распыливания топлива / C.B. Лукачев, A.M. Ланский, A.A. Диденко И Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева, Серия: Процессы горения, теплообмена и экологии тепловых двигателей. - 1998. - Вып.1 - С. 246-257.

50. Абрашкин, В.Ю. Влияние остаточной закрутки потока на характеристики выходного поля температур в камерах сгорания малоразмерных ГТД / В.Ю. Абрашкин, A.M. Ланский // Процессы горения, теплообмена и экологии тепловых двигателей: Материалы IV Всероссийской научно-технической конференции. - Самара: СГАУ, 2002. - С. 143-144.

Подписано в печать 14.07.2014 Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать оперативная. Объем 2,0 печ. л. Тираж 100 экз. Отпечатано с готового оригинал-макета. 443086, Самара, Московское шоссе, 34. Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)