1.1. Процессы, протекающие в основных камерах сгорания (кс) врд

1.1.1. Назначение камер сгорания врд и

Требования, предъявляемые к ним

Камера сгорания (КС) ВРД предназначена для повышения температуры рабочего тела (воздуха) от до , путем сжигания в нем топлива.

От устойчивой работы КС зависит устойчивая работа и экономичность ВРД в целом.

Требования, предъявляемые к КС

1. Устойчивое горение топлива в широком диапазоне составов топливно-воздушной смеси (ТВС), давлений, температур и скоростей, поступающего в КС воздуха, при изменении условий полета (М, Н) и режима работы двигателя (n).

2. Высокая полнота сгорания топлива. Это позволяет обеспечить лучшую экономичность, отсутствие догорания топлива в ГТ, уменьшение выбросов вредных веществ из ВРД.

3. Надежное воспламенение топлива независимо от внешних условий. Это позволяет обеспечить надежный запуск двигателя во всем диапазоне температур атмосферного воздуха Т_н и чисел М полета.

4. Высокая теплонапряженность (количество тепла, выделившееся в КС на единицу объема):

, (1.1)

где η_г – коэффициент полноты сгорания топлива в КС; V_КС – рабочий объем КС; H_u – теплотворная способность топлива.

Увеличение Q_КС позволяет уменьшить габариты и массу КС.

Q_КС.ВРД = (3,5…6,5)10⁶ Дж/ч·м³·Па, что в 10…15 раз выше, чем Q_КС паровозной топки.

5. Минимальные гидравлические потери полного давления в КС. Это способствует снижению суммарных потерь полного давления в КС, оцениваемых коэффициентом восстановления полного давления – .

6. Обеспечение заданного и стабильного поля температур на выходе из КС.

Поле температур в радиальном направлении характеризуется пониженной температурой во втулочном и периферийном сечениях и определяется предельно допустимыми напряжениями в рабочих лопатках турбины.

7. Высокая жаропрочность и жаростойкость элементов конструкции КС, их надежное охлаждение. Это позволяет повысить эффективность и ресурс двигателя.

8. Отсутствие нагарообразования и дымления.

9. Высокая надежность, большой ресурс, производственная и эксплуатационная технологичность.

1.1.2. Основные понятия о процессе горения в кс врд

В ВРД процесс подвода тепла к рабочему телу (воздуху) осуществляется в основной и форсажной КС (ОКС и ФК), и представляет собой процесс сгорания топлива в воздухе.

Процесс сгорания топлива – это совокупность химических реакций окисления, приводящих к превращению химической энергии топлива в тепловую энергию, а самого топлива в газообразные вещества (продукты сгорания).

Протекание процесса горения в КС ВРД и параметры продуктов сгорания (ПС) в значительной мере зависят от состава топливо- воздушной смеси (ТВС), то есть соотношения топлива и окислителя.

Основными продуктами сгорания углеводородного топлива являются углекислый газ СО₂ и водяной пар Н₂О.

Реакции полного окисления углерода и водорода:

1. С + О₂ = СО₂ = Q (тепло);

2. 4Н + О₂ = 2Н₂О + Q (тепло).

Важной характеристикой топлива является низшая теплотворная способность H_u. H_u – это количество тепла, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива без учета тепла конденсации содержащихся в ТВС паров воды.

Наименьшее количество воздуха потребное для полного сгорания 1 кг топлива L₀ – стехиометрический коэффициент.

L₀ ≈ 14,7 кг – для авиационного керосина,

L₀ ≈ 17 кг – для топливного газа.

Соотношение окислителя и топлива, при котором они полностью прореагируют при горении, называется теоретическим или «стехиометрическим». То есть 14,7 кг воздуха плюс 1 кг керосина – стехиометрическое соотношение ТВС для керосина.

При таком соотношении выделяется максимально возможное количество теплоты и температура продуктов сгорания имеет максимальное значение (Т_{ПС max}).

В реальном ВРД к 1 кг топлива подводится количество воздуха L, отличное от L₀. Соотношение количества воздуха и топлива в ТВС оценивается с помощью коэффициента:

α = L/L₀ – коэффициент избытка воздуха в ТВС.

При L = L₀, следовательно, α = 1 – ТВС теоретическая (стехиометрическая).

При L < L₀, следовательно, α < 1 – ТВС богатая (избыток топлива или недостаток воздуха).

При L > L₀, следовательно, α > 1 – ТВС бедная (избыток воздуха или недостаток топлива).

Полное сгорание топлива возможно при α ≥ 1. В реальных ВРД величина α значительно выше (α = 3…5).

При стехиометрическом соотношении окислителя и топлива – Т_{ПС max} (рис. 1.1).

При избытке одного из компонентов ТВС не прореагировавшая часть избыточного компонента охлаждает ПС (Т_ПС < Т_{ПС max}).

При Т_ПС < Т_{ПС min} (Т_{ПС min} – температура активации химической реакции горения) горение становится невозможным, и происходит срыв пламени по богатой или бедной смеси.

В

Рис. 1.1. Зависимость Т_ПС(α)

Основных камерах сгорания (ОКС) реальных ВРД, обычно, ТВС – бедная (α >> 1) и значения α находятся в зоне невозможного горения (см. рис. 1.1). Поэтому приходится применять конструктивные решения для организации процесса устойчивого горения.

Количество не прореагировавшего топлива в КС оценивается с помощью коэффициента полноты сгорания топлива η_г = Q/Q₀, где Q – количество тепла, реально выделившееся в КС при сгорании одного килограмма топлива; Q₀ – количество тепла, которое выделилось бы при полном сгорании одного килограмма топлива.