Глава 7 - Форсажные камеры

Глава 7 - Форсажные камеры

Одним из требований, предъявляемых к ГТД боевых и некоторых коммерческих самолетов является обеспечение возможности значительного кратковременного или длительного увеличения тяги двигателя – форсирования.

Существуют различные способы форсирования тяги. Незначительное и кратковременное форсирование можно получить подачей увеличенного количества топлива в основную КС. Несколько большее форсирование – впрыском в компрессор или КС дополнительного рабочего тела (например, дистилированной воды). Наиболее широкое распространение получил метод форсирования тяги путем подвода за турбиной дополнительного тепла к рабочему телу. Тепло подводится за счет сжигания топлива в дополнительной специальной КС, называемой форсажной камерой (ФК) (см. Рис. 7_1).

Характерной особенностью ФК по сравнению с основной КС является то, что за ФК в потоке нет деталей и узлов, требующих специального интенсивного охлаждения, таких как турбина за КС. Кроме того к ней не предъявляются жесткие экологические требования. Это позволяет организовать процесс горения в ФК практически при стехиометрическом соотношении воздух/топливо (при суммарном коэффициенте избытка воздуха αΣ близком к 1, в то время как в КС современных двигателей коэффициент избытка воздуха на максимальном режиме обычно находится в диапазоне от 2,6 до 3,2).

Расход топлива через ФК в 2…4 раза больше, чем через КС. Поэтому от качества ФК во многом зависят экономические и эксплуатационные характеристики двигателя в целом.

7.1- Характеристики ФК

Âглаве 2 приведен «простой» цикл ГТД. Цикл ГТД с ФК (ТРДФ, ТРДДФ) приведен на Рис. 7.1_1. В этом цикле на участке Ò-Ф к потоку рабочего тела подводится тепло за счет преобразования химической энергии топлива в тепловую. Работа цикла зна- чительно повышается и, соответственно, возрастает скорость истечения газов из сопла и удельная тяга двигателя (в 1,5-2 раза). Следует отметить, что существуют схемы ФК с форсированием (подводом дополнительного тепла) в наружном контуре. Реальный процесс подвода тепла в ФК отличается от идеального наличием гидравлических и тепловых потерь полного давления газа и неполнотой сгорания топлива и в принципе аналогичен процессу подвода тепла в основной КС [7.8.1].

Как видно из цикла, гидравлические потери частично компенсируются, т.к. работа трения преобразуется в тепло, которое возвращается в работу термодинамического цикла. Однако, потери давления в ФК приводят к уменьшению полного давления газа перед соплом, уменьшению степени понижения давления газа в реактивном сопле, и, следовательно, к снижению к.п.д. цикла.

Кроме потерь давления процессы в ФК сопровождаются потерями тепла:

- за счет рассеивания в окружающее пространство (эти потери составляют 0,005-0,010% от тепла, подводимого к рабочему телу в ФК);

- за счет неполного сгорания топлива (экономичность двигателя находится в прямой зависимости от полноты сгорания).

Потери полного давления газа в ФК выража-

ются, как правило, через относительную величи- ну δÔÊ, определяемую как отношение снижения

Рисунок 7_1 - Двигатель Д-30Ф6

347

Глава 7 - Форсажные камеры

Рисунок 7.1_1 - Цикл ТРДФ (ТРДДФ)

-площадь 4ÒФ54 – сумма внешнего тепла и тепла трения, лежащая под линией ТФ реального подвода тепла в ФК (Q)

-площадь 4’Ò’Ф54’ – внешнее тепло (Q1), определенное тем же интервалом температур (Òã – Òсм) с учетом полноты сгорания;

-площадь 4ÒÔÒ’4’ – тепло трения в реальном процессе подвода тепла в ФК

полного давления газа в ФК от входного до выходного сечения к полному давлению газа на входе. Эти потери характеризуют аэродинамическое

èтермодинамическое совершенство ФК и состоят из двух основных частей - гидравлических потерь

èпотерь, связанных с подводом тепла. Основные характеристики рабочего процесса

ФК условно могут быть разделены на две основные взаимосвязанные группы:

- характеристики, определяющие эффективность работы ФК (степень форсирования Ô, полнота сгорания топлива ηÔÊ, потери полного давления в ФК в целом δÔÊ и в отдельных ее элементах); - характеристики, определяющие условия для организации процесса горения (суммарный коэффициент избытка воздуха, температура, давление и скорость газового потока перед подачей в него

форсажного топлива).

По основным характеристикам, большинство из которых определяются из расчета двигателя в целом, расcчитываются и выбираются основные геометрические характеристики ФК (см. Рис. 7.5.2_1) - длины смесителя, диффузорного участка, зоны горения, миделевого (максимальный) диаметр ФК DÌÈÄ, относительная степень загромождения сечения фронтовым устройством

ÇÀÃÐ и некоторые другие.

Относительная степень загромождения сече- ния фронтовым устройством определяется по формуле:

	ÇÀÃÐ = FÇÀÃÐ/FÔÊ	(7.1-1)
ãäå ÇÀÃÐ	– площадь загромождения сечения фрон-
FÔÊ	товым устройством, см2;
	– площадь ФК в сечении загроможде-
	íèÿ, ñì2.

К параметрам, определяющим эффективность работы ФК, относятся следующие.

Степень форсирования Ô- характеризует увеличение реактивной тяги двигателя при вклю- чении ФК и находится по следующей формуле:

Ô = RÔ / RÁÔ

(7.1-2)

ãäå Ô - фактическая тяга двигателя на форсированном режиме, кгс;

RÁÔ- тяга двигателя на максимальном бесфорсажном режиме, приведенная по параметрам на входе в двигатель (ÒÂÕ, ÐÂÕ) и давлению воздуха за КВД (ÐÊ) к соответствующему форсированному режиму, кгс.

Для большинства современных отечественных и зарубежных двигателей 4, 5 и 5+ поколений степень форсирования на полном форсированном режиме в земных условиях находится в диапазоне от 1,4 до 1,7. Эффективность применения форсированных режимов возрастает с увеличением скорости полета и степени двухконтурности.

Полнота сгорания топлива ηÔÊ в ФК - характеризует степень совершенства организации процесса горения. Определяется как отношение фактического количества тепла, выделенного при сгорании одного килограмма топлива, к его теплотворной способности и зависит от параметров газового потока перед подачей в него форсажного топлива. Это такие параметры, как температура, давление, скорость, а также от коэффициентов избытка воздуха в зонах горения. Снижение температуры газового потока отрицательно сказывается на полноте сгорания топлива (поскольку при этом уменьшается скорость испарения, увеличивается время задержки воспламенения топлива, замедляются реакции горения и уменьшается скорость распространения фронта пламени). Снижение давления в газовом потоке также неблагоприятно сказывается на полноте сгорания, поскольку при этом: увеличиваются размеры капель; возрастает необходимое для испарения и сгорания время; ухудшается соотношение сил, вызывающих турбулентное перемешивание, и сил вязкости; воз-

348

Глава 7 - Форсажные камеры

растают энергия и температура воспламенения топлива; усиливается тенденция к затуханию пламени; уменьшается скорость химической реакции в смеси топлива с воздухом. Повышение скорости газового потока также снижает полноту сгорания топлива, поскольку при этом уменьшается время пребывания смеси в зонах горения.

Влияние температуры, давления и скорости газового потока наиболее ощутимо для ТРДДФ, поскольку с изменением условий полета самолета они (особенно по наружному контуру двигателя) могут существенно меняться. Это необходимо учитывать на стадии проектирования (особенно при увеличении степени двухконтурности двигателя).

Основным параметром, определяющим условия для организации процесса горения, является суммарный коэффициент избытка воздуха. Этот коэффициент показывает, во сколько раз фактический расход воздуха (газа), проходящий через ФК, превышает теоретически необходимый для сжигания поданного форсажного топлива. αΣ находится по следующей формуле:

	αΣ = 3600GÂ/(GÒÎ+GÒÔÎÐ) L0,	(7.1-3)
ãäå GÂ	– суммарный расход воздуха через ФК
GÒÎ	(двигатель), кг/с;
	– расход топлива через основную
GÒÔÎÐ	ÊÑ, êã/÷;
	– расход форсажного топлива, кг/ч;
L0	– стехиометрический коэффициент
	для воздуха и данного вида топлива.

У большинства современных двигателей с ФК

Σ= 1,05-1,25 на полном форсированном режиме

èαΣ = 1,5-4,8 – на частичном. Максимального зна- чения полнота сгорания достигает при стехиомет-

рическом соотношении воздух/топливо (при зна-

чениях αΣ, близких к 1). При значениях αΣ, находящихся вне концентрационных пределов воспламенения, горение невозможно - полнота сгорания равна нулю.

Количественное влияние вышеуказанных параметров на полноту сгорания топлива определяется конкретной конструкцией ФК.

Полнота сгорания топлива для современных отечественных и зарубежных двигателей с кратковременным ее включением (самолеты-истребители

èсамолеты-штурмовики военной авиации) достигает 0,86-0,92 на полном форсированном режиме. У ФК двигателей сверхзвуковых бомбардировщиков

èпассажирских сверхзвуковых самолетов полнота

сгорания на крейсерском форсированном режиме достигает величины 0,94-0,98.α

7.2 - Работа ФК

Работу ФК рассмотрим на примере ТРДДФ с наиболее часто встречающейся конструкцией ФК (см. Рис. 7.2_1) [7.8.2].

Воздух наружного контура и газ внутреннего поступают в смеситель 1 с «лепестками» 2, где происходит смешение потоков и выравнивание их параметров по давлению, температуре, скорости. Далее поток тормозится в расширяющемся канале, образованном кольцевым диффузором 3 и центральным телом 4. Снижение скорости потока позволяет создать на выходе из диффузора с помощью фронтового устройства 5, образованного плохо обтекаемыми телами V-образного профиля - стабилизаторами 6, циркуляционные зоны, в которые из коллекторов и форсунок 7 подается топливо. Образовавшаяся топливовоздушная смесь (ТВС) воспламеняется с помощью специальной системы розжига (см. раздел 7.6.1). Циркуляционные зоны обеспечивают устойчивое горение на всех режимах работы ФК. Часть относительно холодного воздуха (газа) из пристеночного (периферийного) слоя в диффузоре «забирается» в канал, образованный корпусом 8 и экранами 9. Экраны выполняют теплозащитную и антивибрационную (гасят пульсации давления) вункции в ФК и обеспечивают «транспортирование» воздуха для охлаждения элементов проточной части регулируемого сопла 10.

Рисунок 7.2_1 - ФК ТРДДФ (Печатается с разрешения Rolls-Royce plc.)

1 - смеситель; 2 - лепестки смесителя; 3 - кольцевой диффузор; 4 - центральное тело; 5 - стабили-

заторное фронтовое устройство; 6 - стабилизаторы; 7 - система

коллекторов и форсунок; 8 - корпус; 9 - теплозащитные (антивибрационные) экраны; 10 - регулируемое сопло

349