Материал: Методические указания к выполнению лабораторной работы №3 «Экспериментальное получение и анализ характеристик камеры сгорания ГТД». Ефимочкин А.Ф., Москвичев А.В

Скорость распространения пламени при этом уменьшается и часть топливо-воздушной смеси, не успев прореагировать полностью в зоне горения, уносится потоком в зону смешения. При значительном обеднении смеси происходит существенное уменьшение как температуры в зоне горения, так и стабилизирующего действия зоны обратных токов. В

результате при α>αмакс возникает "бедный" срыв пламени. На рисунке 1 представлена качественная зависимость температуры газа на выходе из камеры сгорания (Tг*), ее

теоретического значения (Tг*.теор) и коэффициента полноты

уменьшение полноты сгорания при α, отличном от αопт ,

приводит к существенному увеличению разницы между действительной температурой сгорания и ее теоретическим значением.

Рисунок 1. Характеристика камеры сгорания по α

4

Зависимость ηг от α при Тк* =const и рк* =const

называется характеристикой камеры сгорания по составу

смеси.

Изменение параметров потока воздуха на входе в камеру ( pк* и Tк* ) не оказывает влияния на качественное протекание характеристик, но приводит к количественному изменению как коэффициента полноты сгорания ηг , так и

пределов устойчивого горения αмин и αмакс.

испарения топлива и снижается нормальная скорость горения топливо-воздушной смеси.

Значительное снижение pк* (что может наблюдаться с подъемом на большую высоту), также приводит к уменьшению ηг и ∆α. Это связано с уменьшением чисел Re

в потоке обтекающем элементы камеры сгорания, и следовательно, со снижением степени турбулентности потока. В результате снижается интенсивность передачи теплоты в зоне обратных токов и скорость распространения пламени. Кроме того, снижение расхода воздуха (пропорционального при

прочих равных условиях pк* ) обуславливает (при данном α)

пропорциональное расхода топлива и, как следствие, ухудшение качества его распыла форсунками.

Важным параметром камеры сгорания является также

на выходе из камеры сгорания и на входе в нее.

Потери полного давления потока, текущего через камеру сгорания, обуславливаются двумя следующими причинами:

5

−гидравлическими потерями, связанными с вязкостным трением, вихреобразованием, смешением струй разного направления и разной скорости и т.п.;

−снижением полного давления при подводе теплоты к дозвуковому потоку газа (так называемым "тепловым сопротивлением").

Соответственно значение σк.с принято определять как

σк.с = σгидрσтепл .

Организация процесса горения в форсажных камерах сгорания по сравнению с основными имеет следующие особенности:

-значение коэффициента α на расчетном режиме в форсажной камере близко к единице, в связи с чем отпадает необходимость разделения её на зону горения и зону смешения;

-температура среды, в которую впрыскивается топливо, здесь гораздо выше, чем в основных камерах сгорания, что облегчает процесс испарения топлива и последующего воспламенения смеси, поэтому для стабилизации пламени в форсажной камере достаточно зон обратных токов, возникающих просто за плохообтекаемыми телами, которые и используются в качестве стабилизаторов пламени;

-скорость газового потока на входе в форсажную камеру значительно выше, чем на входе в основную, а концентрация кислорода в топливо-газовой смеси значительно меньше, поэтому для розжига форсажной камеры приходится применять значительно более мощные пусковые устройства, чем для основной.

Кроме явления срыва (погасания) пламени, в форсажных камерах может возникать еще такой вид неустойчивости процесса, как вибрационное горение,

которое проявляется в виде колебаний давления с частотой

6

порядка 102…103 Гц и вызывает сильные вибрации элементов конструкции камеры, приводящие к их быстрому разрушению, а также к усталостным разрушениям других деталей двигателя. Эти колебания могут быть как продольными (т.е. происходящими вдоль оси камеры), так и поперечными или смешанными.

Как установлено, вибрационное горение является автоколебательным процессом, протекающим в камере сгорания. Возникновение и развитие автоколебаний в какойлибо системе происходит при двух обязательных условиях. Во-первых, к системе должна подводиться извне энергия в количестве, достаточном для преодоления факторов, демпфирующих колебания (вязкости газа и др.) и (в данном случае) для компенсации затрат на «раскачку» свежих порций газа взамен вытекающих из сопла. Таким источником энергии в камере сгорания является тепловыделение в зоне горения. Во-вторых, для возбуждения автоколебаний в системе должна существовать положительная обратная связь, т.е. колебание (периодическое изменение во времени) тепловыделения должно вызываться колебаниями давления и приводить к их усилению.

Исследования показали, что механизм обратной связи при вибрационном горении связан с влиянием колебаний давления и скорости газового потока в камере на интенсивность процесса горения. Эта связь может иметь различную природу. Например, периодические срывы вихрей с задних кромок стабилизаторов приводят к периодическим колебаниям давления и скорости газа, которые, воздействуя на фронт пламени, вызывают изменение его положения и формы, т.е., в конечном счете, площади поверхности фронта пламени. Следовательно, изменяется и тепловыделение в единицу времени. В свою очередь, колебания интенсивности тепловыделения будут вызывать колебания давления. При определенных условиях это может привести к раскачке колебаний, т.е. к возникновению вибрационного горения.

7

При обедненных смесях и не очень больших давлениях в форсажной камере колебания тепловыделения обычно не компенсируют рассеивание энергии колебаний газа. Поэтому вероятность возникновения вибрационного горения оказывается наибольшей при полете на малых высотах с максимальной скоростью и высокими значениями температуры газа в форсажной камере.

Основными способами предотвращения вибрационного горения в форсажных камерах сгорания являются следующие:

1.Установка гофрированного антивибрационного экрана с перфорированными стенками или со щелями. Такой экран способствует рассеиванию поперечных волн давления вследствие хаотичного отражения от гофрированной поверхности и их поглощению (демпфированию) благодаря наличию перфорации. Кроме того, между корпусом форсажной камеры сгорания и антивибрационным экраном организуется течение воздуха, охлаждающего наружные стенки камеры и экран.

2.Помещение стабилизаторов близко к узлам стоячих волн давления и скорости, возникающих в камерах при колебаниях.

3.Увеличение числа стабилизаторов и эшелонирование их по длине камеры для снижения «остроты» возможного резонанса.

8