Методы и средства повышения эффективности рабочего процесса камер сгорания малоразмерных ГТД

• Автор: Ланский, Анатолий Михайлович
• Шифр специальности: 05.07.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 283 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОРГАНИЗАЦИИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ МГТД. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1 Назначение, типы и особенности работы МГТД
1.2 Статистический анализ влияния размерности на параметры камер сгорания ГТД
1.3 Исследования элементов рабочего процесса в первичной зоне камер
сгорания ГТД
1.4. Исследование характеристик рабочего процесса камер сгорания ГТД.. 44 1.5 Цель и задачи исследования
2 КОМПЛЕКС СТЕНДОВ, ОБЪЕКТОВ И ТЕХНОЛОГИЙ ИСПЫТАНИЙ
И ДОВОДКИ КАМЕР СГОРАНИЯ МГТД
2.1 Экспериментальные модели и объекты
2.2 Экспериментальные стенды
2.2.1 Установка для визуальных наблюдений за течением в моделях и камерах сгорания
2.2.2 Стенд для изучения аэродинамики и массообмена в моделях камер сгорания
2.2.3 Проливочная установка для испытания форсунок
2.2.4 Стенд для испытаний камер сгорания
2.2.5 Стенд для высотно-климатических испытаний камер сгорания
2.3 Основные виды измерений
2.3.1 Измерение аэродинамической структуры течения и массообмена в камерах сгорания
2.3.2 Измерение расходно-геометрических характеристик топливного факела
2.3.3 Измерение состава продуктов сгорания на выходе из камеры сгорания
2.3.4 Измерение полей температур газа на выходе из камеры сгорания
2.3.5 Измерение времени задержки воспламенения топливно-
воздушной смеси в камерах сгорания
3 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА КАМЕР СГОРАНИЯ МГТД
3.1 Аэродинамика камеры сгорания МГТД
3.1.1 Формы диффузоров, режимы течения и критерии их эффективности

3.1.2 Исследование рабочего процесса вихревых горелок
3.2 Распиливание жидкого топлива пневмомеханическими форсунками
3.3 Принудительное зажигание топливно-воздушной смеси
4 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА КАМЕР СГОРАНИЯ МГТД
4.1 Аэродинамика и гидравлическое сопротивление камер сгорания МГТД
4.2 Выгорание топлива в камерах сгорания МГТД
4.2.1 Физическая модель выгорания топлива
4.2.2 Экспериментальное исследование выгорания топлива в камерах сгорания МГТД
4.2.3 Моделирование выгорания топлива в камерах сгорания МГТД
4.3 Стабилизация пламени в камерах сгорания МГТД
4.4 Характеристики поля температуры газа на выходе из камер сгорания МГТД
4.4.1 Влияние конструктивных параметров на характеристики поля температуры газа на выходе из камер сгорания МГТД
4.4.2 Влияние режимных параметров на характеристики поля температуры газа на выходе из камер сгорания МГТД
4.4.3 Корреляционно-регрессионные модели окружной и радиальной неравномерностей поля температуры газа на выходе из камер сгорания МГТД
4.5 Характеристики запуска камер сгорания МГТД
4.5.1 Влияние параметров потока воздуха на характеристики запуска камер сгорания МГТД
4.5.2 Влияние свойств топлива и энергии системы зажигания на запуск камер сгорания МГТД
4.5.3 Анализ и обобщение экспериментальных данных по запуску камер сгорания МГТД
5 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ
5.1 Модели и алгоритм расчета конструктивно-геометрических размеров, оценка интегральных параметров и характеристик камер сгорания МГТД на этапе эскизного проектирования
5.2 Рекомендации по выбору конструктивных и режимных параметров
камер сгорания МГТД
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Развитие авиационных газотурбинных двигателей идет по пути улучшения их термодинамических параметров, схемноконструктивного совершенствования с целыо повышения показателей эффективности использования авиационной силовой установки (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.
Особенности, присущие последним (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, низких потерях энергии потока рабочего тела, равномерное поле температуры газа на входе в турбину, надежную стабилизацию пламени и запуск камеры сгорания (КС).
Вопросами теории горения и ее практическим применением к реальным устройствам на протяжении длительного времени занимались многие ведущие ученые, экспериментаторы и конструкторы. В ее разработку значительный вклад внесли отечественные и зарубежные ученые: H.H. Семенов, Д.А. Франк-Каменецкий, Л.Н. Хитрин, К.И. Щелкин, Е.С. Щетинков, Л.А. Вулис,
A.B. Талантов, Б. Лыоис, Г. Эльбе, Д. Сполдинг, Г. Вильямс и др. Что касается исследований отдельных элементов рабочего процесса камер сгорания ГТД и их

сил внутреннего трения, поверхностного натяжения и инерции, сил давления и трения от взаимодействия со средой, а также вихревого движения .в жидкости и сил со стороны обдувающего газа.
Для объяснения механизмов распада струй разработаны различные теории распыливания: фрикционная (А. Трибнинг) [2.5]; капиллярных поверхностных волн (А Вебер, В.А. Бородин, В.И. Ягодкин, А.П. Исаев) [3.7, 3.8]; взаимодействия турбулентности внутри жидкости с поверхностной пленкой (Ю.И. Хавкин) [3.52]; хрупкостная (М. Клрнфельд, М.А. Козырев) [2.5]. Некоторые авторы пытались получить математически обоснованные формулы как для определения среднего диаметра капель (СДК), так и параметров спектра распределения капель по размерам. Однако точные и надежные результаты достигнуты не были. На практике для этих целей используют обычно зависимости, опять же, критериального типа, полученные на основе теории подобия и размерностей или построенные на основе физических соображений с подбором величин определяющих коэффициентов по наилучшему согласию с данными измерений.
Необходимые при использовании формул параметры жидких струй и пленок определяются обычно по той или иной теории течения внутри форсунки; зачастую они не очень различаются между собой.
Построенные на их основе методики гидравлического расчета форсунок можно разделить на две большие группы.
В первой из них авторы придерживаются известного принципа максимального расхода, который впервые для центробежных форсунок был предложен Г.Н. Абрамовичем. В соответствии с ним высота водослива сама собой устанавливается такой, при которой расход из всех возможных получается наибольшим. При этом принимались следующие допущения:
а) гидравлические потери внутри форсунки отсутствуют;
б) момент количества движения, приобретенный частицами жидкости на входе в вихревую камеру, остается неизменным вплоть до их выхода из форсунки.