автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Разработка обобщенной интегральной характеристики камеры сгорания ГТД

Основные условные обозначения.

Введение.

1. Обзор литературы по теме. Постановка задач исследования.

1.1. Роль камеры сгорания в совместной работе узлов ГТД.

1.2. Использование обобщенных интегральных характеристик в авиадвигателестроении.

1.3. Использование графоаналитических методов исследования процессов горения.

1.4. Использование критериев подобия для моделирования процессов горения в камере сгорания.

1.5. Постановка задач исследования.

2. Теоретические основы обобщенной интегральной характеристики камеры сгоравця ГТД.

2.1. Структура изучаемого объекта^. лЪ**. :.

2.2. Характеристики камеры сгорания!?.

2.3. Понятие обобщенной интегральной характеристики камеры сгорания ГТД.

2.4. Критериальное рассмотрение задачи обобщенной интегральной характеристики камеры сгорания ГТД.

2.5. Особенности экспериментально-расчетного определения параметров обобщенной интегральной характеристики камеры сгорания.

3. Экспериментальные стенды и объекты исследования.

3.1. Экспериментальная установка по исследованию модели камеры сгорания.

3.2. Экспериментальный стенд по исследованию натурных камер сгорания.

3.3. Стенд по определению характеристик ГТД ДГ-4М.

3.4. Объекты исследования.

3.5. Оценка точности измерения параметров.

4. Обобщенная интегральная характеристика камеры сгорания в модельных условиях.

4.1. Частные характеристики модели камеры сгорания.

4.2. Обобщенная интегральная характеристика модели камеры сгорания.

5. Обобщенные интегральные характеристики камер сгорания натурных объектов.

5.1. Обобщенная интегральная характеристика камеры сгорания малоразмерного ГТД в стендовых условиях.

5.2. Обобщенная интегральная характеристика камеры сгорания в составе двигателя ДГ-4М.

6. Рекомендации по использованию результатов работы.

В современном авиадвигателестроении остается актуальной задача повышения экономических й экологических параметров ГТД. В связи с тем, что ГТД является сложной системой, объединяющей такие узлы, как компрессор, камера сгорания (КС), турбина одним из направлений доводки двигателя является согласование совместной работы его узлов /27/. Указанное согласование предпочтительно проводить с использованием т.н. интегральных характеристик. Кроме того, эти характеристики используются при расчете высотно-скоростных характеристик двигателя (ВСХ).

Далее в работе под интегральной обобщенной характеристикой (ОХ) понимается паспорт узла, который содержит информацию обо всех возможных режимах работы с выделением области оптимальных режимов работы и указанием уровня основных показателей экономичности - надежности - эко-логичности (ЭНЭ) в каждой точке ее поля. Как правило, обобщенные интегральные характеристики являются многопараметрическими. Поле такой характеристики принято координировать критериями подобия, определяющими режимы работы узла или двигателя в целом.

В литературе /27, 34, 52/ представлены характеристики такого рода как двигателя, так и некоторых его узлов: компрессора, турбины. Характеристика компрессора изображается графически, как функция основных его параметров: степени повышения давления и КПД от приведенных частоты вращения ротора и расхода рабочего тела.

В основных работах по теории ГТД при анализе процессов, протекающих в камере сгорания (КС) используются как правило ее однопараметриче-ские характеристики: полноты сгорания топлива, гидравлические, эмиссионные и др. При расчете же ВСХ ГТД обычно применяется математическая модель КС в виде aKC~const, rjr-const. Как показывает опыт при использовании интегральных характеристик узлов математическая модель ГТД существенно уточняется. Анализ вида интегральных характеристик конкретных узлов дает дополнительную информацию о работе этого объекта и позволяет более успешно проводить его доводку.

Очевидно, что те же результаты можно получить имея обобщенную интегральную характеристику камеры сгорания ГТД.

Учитывая вышеизложенное была поставлена цель данного исследования - разработать обобщенную интегральную характеристику камеры сгорания (ОХКС) для уточнения математической модели ГТД.

Не следует понимать под "обобщенной" абсолютно универсальную характеристику, пригодную для описания процессов происходящих в камере сгорания любого типоразмера. В данном случае этот термин подразумевает обобщение множества однопараметрических характеристик, которыми в настоящий момент описывается рабочий процесс КС.

Определиться с координатами поля позволяет использование теории подобия /8, 16/. Решение свелось к отысканию и описанию 2-х критериев подобия, в наибольшей степени характеризующих рабочий процесс в камере сгорания, которые были использованы в качестве координат поля ОХКС.

В исследованиях процесса горения широкое применение получили графоаналитические методы, суть которых может быть принята за основу при разработке ОХКС.

Широкое распространение графоаналитических методов исследования задач теории горения связано со значительной сложностью чисто аналитического решения из-за значительного числа упрощений и допущений, принимаемых в ходе решения.

На основе обзора литературы было принято, что наиболее близким аналогом для отработки понятия ОХКС является характеристика компрессора (ХК). Причем в данной работе понятие ХК (как прототип для ОХКС) включает в себя кроме содержания собственно характеристики компрессора еще и методологию ее разработки, общие принципы получения характеристики конкретного объекта, а также способы ее использования в процессе создания узла и двигателя.

Очевидно, что в одной работе выполнить весь этот перечень не представляется возможным. Поэтому были выделены первоочередные вопросы, на которые следовало найти ответы и которые были сформулированы как задачи данного исследования.

С целью отработки внешнего вида и содержания ОХКС были проведены экспериментальные исследования на модели и натурных объектах в условиях автономных испытаний и работе в составе двигателя.

В результате проведенных исследований впервые получен вид обобщенной интегральной характеристики камеры сгорания, определены закономерности расположения в ее поле показателей ЭНЭ. При проведении экспериментов исследовалось влияние ряда режимных (давление и температура воздуха на входе в КС, состав ТВС) и конструктивных параметров (смена фронтового устройства) на вид характеристик .

Важным результатом этих исследований можно считать, то что впервые получен вид линии рабочих режимов газотурбинного двигателя в поле ОХКС.

Проведенные исследования продемонстрировали, что ОХКС представляет собой методологический инструмент доводки КС как в составе двигателя, так и автономно. Показано, что для каждой конструкции КС существует поле характеристики конкретной формы. Приведен пример выделения области оптимальной работы по показателям ЭНЭ в поле ОХКС малоразмерного ГТД.

На основе анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований были сформулированы рекомендации по практическому применению ОХКС на стадиях проектирования и доводки ГТД, а также для получения новой информации по рабочему процессу в камере сгорания. Они оказались полезными при доводке камер сгорания двигателей предприятий МКБ "Гранит", г.Москва; ОАО СНТК им. Н.Д.Кузнецова, г.Самара.

Материалы, положенные в основу данной работы нашли отражение в научных публикациях по направлениям совершенствования рабочего процесса камер сгорания, а также повышения показателей эффективности работы ГТД/18-25, 29/.

Настоящее исследование является частью научно - исследовательских работ по совершенствованию рабочего процесса камер сгорания авиационных ГТД, проводимых в Самарском государственном аэрокосмическом университете (СГАУ) /60-66/.

1. Обзор работ по характеристикам ГТД, его элементов и процессов горения, имеющих обобщающий характер

7. Результаты работы используются на предприятиях МКБ "Гранит", ОАО СНТК им. Н.Д.Кузнецова, в учебном процессе в СГАУ.

1. Абрамович Г.Н. Прикладная гидрогазодинамика, М.:Наука, 1976, 888с.

2. Вильяме Ф.А. Теория горения М.:Наука, 1971, 616с.

3. Вудворд А.Б. Исследование идеализированных камер сгорания на основе теории подобия.- Сб. Вопросы горения, М.:Металлургиздат, 1963

4. Вулис JI.A. Тепловой режим горения М.:ГЭИ, 1954, 287с.

5. Вяхирев Д.А., Шушунова А.Ф. Руководство по газовой хроматографии М.:Высшая школа, 1975, 302с.

6. Горбунов Г.М., Солохин ЭЛ. Испытания авиационных воздушно-реактивных двигателей М.:Машиностроение, 1967, 256с.

7. Гухман А.А. Применение теории подобия к исследованию процессов теп-ло-массообмена М.:Высшая школа, 1967, 304с.

8. Дьяконов Г.К. Вопросы теории подобия в области физико-химических процессов М.:Изд. АН СССР, 1956

9. Думский В.Д. Исследование стабилизации пламени в следе за плохообте-каемым телом.- Научные труды ЦИАМ, 1951, сб.208

10. Иссерлин А.С. Основы сжигания газового топлива, Л.:Недра, 1980, 272с.

11. Кириллов И.И. Теория турбомашин Л.Машиностроение, 1972, 536с.1 б.Кирпичев М.В. Теория подобия М.:Изд-во АН СССР, 1953

12. Кнорре Г.Ф. Топочные процессы М.:ГЭИ, 1951, 328с.

13. Ковылов Ю.Л., Крашенинников С.В., Цыганов A.M. Обобщенная характеристика камеры сгорания ГТД.- В сб.: Тезисы докладов IX Российской научн.-технич. конф. "Теплофизика технологических процессов" Рыбинск: РГАТА, 1996, С.81

14. Ковылов Ю.Л., Крашенинников С.В., Лукачев С.В., Цыганов A.M. Обобщенная характеристика камеры сгорания газотурбинного двигателя.- Теплоэнергетика, №1, 1999

15. Ковылов Ю.Л., Крашенинников С.В., Лукачев С.В., Цыганов A.M. Понятие обобщенной характеристики горелочного устройства теплового двигателя.- Ракетно-космическая техника, серия XII, вып.1 Самара, 1997, С.91

16. Крашенинников С.В., Лукачев С.В. Решение задачи об обобщенной характеристике камеры сгорания ГТД методом теории подобия.- Вестник СГАУ, серия: Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей, вып.1 Самара, 1998, С.217

17. Крашенинников С.В. Анализ обобщенной характеристики камеры сгорания ГТД.- В сб.: Тезисы докладов молодежной научной конференции "XXIII Гагаринские чтения" М.: РГТУ-МАТИ, 1997, С.94

18. Кузнецов В.Р., Сабельников В.А. Турбулентность и горение М.:Наука, 1986,288с.

19. Кулагин В.В. Теория газотурбинных двигателей:Кн.2. Совместная работа узлов, характеристики и газодинамическая доводка ГТД М.:МАИ, 1994, 304с.

20. Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД М.: Машиностроение, 1984, 228с.

21. Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах М.: Мир, 1968, 529с.

22. Ляховский Д.Н., Сыркин С.Н. Расчет искривления факела при истечении в среду другой температуры.- Советское котлостроение, 1938, №2, С. 18-25

23. Математическая теория горения и взрыва/Я.Б.Зельдович, Г.И.Баренблатт, В.Б.Либрович, Г.М.Махвиладзе. М.:Наука, 1980,478с.

24. Михеев М.А. Основы теплопередачи, М.:ГЭИ, 1956, 392с.

25. Нечаев Ю.Н., Федоров P.M. Теория авиационных газотурбинных двигателей^^ М.Машиностроение, 1978, 336с.

26. Палеев И.И. О моделировании процессов горения.- В сб.: Теория и практика сжигания газа.- М.:Недра, 1964

27. Правила 28-64. Измерение расходов жидкостей, газов, паров стандартными диафрагмами и соплами. М.: Изд-во стандартов, 1964, 148с.40 .Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы М.:Энергия, 1978, 703с.

28. Пчелкин Ю.М. Камеры сгорания ГТД М.Машиностроение, 1984, 228с.

29. Семенов Н.Н. Цепные реакции, ОНТИ, 1934

30. Сполдинг Д.Б. Горение и массообмен М.: Машиностроение, 1985, 237с.

31. Сторожук Я.П. Исследование работы камер сгорания ГТУ на жидком топливе.-Энергомашиностроение, N3, 1962

32. Сторожук Я.П., Асосков В.А. Вопросы приближенного моделирования процессов горения в камерах сгорания ГТУ. Теплоэнергетика, 1964, №1

33. Сторожук Я.П., Асосков В.А. Исследование горения жидкого топлива в камере сгорания ГТУ при переменном давлении. Теплоэнергетика, 1966, №3

34. Талантов А.В. Анализ условий стабилизации пламени на основе модели гомогенного реактора.- Известия вузов, серия: Авиационная техника, 1978, №3, С.92

35. Талантов А.В. Горение в потоке М.Машиностроение, 1978, 160с.

36. Теория и техника теплофизического эксперимента/под ред. Щукина В.К. М.:Энергоатомиздат, 1985, 360с.

37. Теория двухконтурных турбореактивных двигателей/под ред. Шляхтенко С.М. М.-Машиностроение, 1979, 432с.51 .Точность контактных методов измерения температуры/ГорДов А.Н., Мал-ков Я.В., Эргардт Н.Н., Ярышев Н.А. М.: Изд-во стандартов, 1976, 232с.

38. Холщевников К.В. Теория и расчет авиационных лопаточных машин М. Машиностроение, 1970, 612с.

39. Холщевников К.В., Емин О.Н., Митрохин В.Т. Теория и расчет авиационных лопаточных машин М.Машиностроение, 1986, 432с.

40. Христич В.А., Тумановский А.Г. ГТУ и охрана окружающей среды Ки-ев:Техшка, 1983, 242с.

41. Шатиль А.А. Сжигание природного газа в камерах сгорания газотурбинных установок Л.:Недра, 1972, 232с.

42. Черкез А.Я. Инженерные расчеты газотурбинных двигателей методом малых отклонений М.Машиностроение, 1975, 379с.

43. Эккерт Э.Р., Дрейк Д.И. Теория тепло- и массообмена М.:ГЭИ, 1961

44. Югов O.K., Селиванов О.Д. Согласование характеристик самолета и двигателя М. Машиностроение, 1975, 204с.

45. Юдаев Б.Н. Теплопередача М.:Высшая школа, 1981, 320с.

46. Изучение на газотурбинном двигателе ДГ-4М методов снижения токсичности выхлопных газов: Отчет по НИР/СГАУ, рук. Лукачев С.В., тема 01г-Б022-049 Самара, 1995, 44с.

47. Использование обобщенной характеристики камеры сгорания ГТД для понижения выбросов канцерогенных веществ: Отчет по НИР/СГАУ, рук. Лукачев С.В., тема 17г-Б025-049 Самара, 1995, 54с.

48. Особенности технологии получения обобщенной характеристики камеры сгорания ГТД: Отчет по НИР/СГАУ, рук. Лукачев С.В., тема З1в-Б021-049 -Самара, 1996, 102с.

49. Разработка способов и устройств для понижения выбросов канцерогенных веществ при сжигании углеводородных топлив: Отчет по НИР/СГАУ, рук. Лукачев С.В., тема 31В-Б021-049 Самара, 1994, 37с.

50. Bahr D.W. Technology for the design of high temperature rise combustors. -AIAA Paper, 1985, №1292

51. DeZubay E.A. Characteristics of Disk-Controlled Flame, AeroDig., vol.61, no.l,pp.54-56,102-104, 1950

52. Egan W.J., Reilly R.S., Hopkins K.N. Optimization of gas turbine combustor stoichiometry for expanded operating regime. AIAA Paper, 1980, №1286

53. Fiorentino A.J., Greene W., Kim J.C., Mularz E.J. Variable Geometry, Lean, Premixed Prevaporized Fuel Combustor Conceptual Design Study, ASME Paper 80-GT-16, 1980

54. Longwell J.P. and Weiss M.A., High Temperature Reaction Rates in Hydrocarbon Combustion, Ind. Eng. Chem., vol.47, pp. 1634-1643, 1955

55. Lyons V.J. Fuel/Air Nonuniformity-Effect of Nitric Oxide Emissions, paper prepared for 19 AIAA Aerospese Sciences Meeting, St.Louis, 1981