Температурный режим стенок жаровых труб

Тепловое воздействие факела на жаровую трубу зависит от характера течения потока воздуха вдоль внутренней по­верхности стенки жаровой трубы и других факторов и в об­щем случае это сложное и трудно поддающееся аналитическому рас­чёту явление. Однако порядок величины температуры стенки можно опре­делить, исходя из простейшей схемы, полагая что температура неизменна по толщине стенки. Кроме того, защит­ное действие пелены воздуха обычно не учитывается.

 

Q_ф = Q_ж = Q_в + Q_окр,

 

где Q_ф - тепло, отданное факелом стенке; Q_ж - тепло, отданное стенкой воздуху; Q_в - тепло, полученное воздухом рубашки; Q_окр - тепло, отданное корпусом камеры в окружающую среду.

 

Q_ф = Q_фл + Q_фк

Q_ж =Q_жл+ Q_жк

 

Индексы "л" и " к " означают, что тепло передает­ся соответственно лучеиспусканием и конвекцией. Тепло, отданное факелом путем лучеиспускания, подсчиты­вается по формуле:

 

 

 

 

где σ₀ – константа излучения абсолютно чёрного тела, F_ж - внутренняя поверхность жаровой трубы, условная степень черноты пламени (), приведённая степень черноты стенки, , где степень черноты поверхности данного материала. Для окисленной стали 0,8 – 1,0, – расчётная температура газа в факеле пламени, K – может быть приближённо подсчитана как теоретическая температура газа при α_сг по уравнению баланса тепла в камере сгорания. T_ж – температура стенки жаровой трубы, K (этой температурой нужно задаться, обычно t_ж = 700 - 850°C).

Тепло Q_фл составляет основную часть Q_ф. Конвективная составляющая:

 

Q_фк = α_фж F_ж ∆t_фж,

 

где α_фж - коэффициент теплоотдачи от газа к стенке, ∆t_фж - средняя разность температур факела и стенки.

Точный подсчет величины Q_фк весьма затруднителен и обычно проводится по эмпирическим формулам. Количество тепла, передаваемого от стенки к воздуху кон­векцией, определяется по формуле:

 

Q_ж.к = α_жв F_ж ∆t_жв,

 

где α_жв - коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху:

 

 

где λ – коэффициент теплопроводности стенки при t_ж,

d _ж.э - _.эквивалентный диаметр жаровой трубы.

Nu = 0,018∙Re^0,8 - критерий Нуссельта.

 

 

 

Число Рейнольдса где w_вр – скорость воздуха в рубашке, t_в' – температура, до которой нагреется воздух в рубашке. Может быть определена методом последовательных приближений из равенства:

 

 

 

Количество тепла, передаваемого от стенки жаровой трубы стенке корпуса лучеиспусканием определяем как Q_ж.л.:

 

,

 

 

где F`_ж – наружная поверхность жаровой трубы:

обычно δ ≈ 1,5 – 3,0 мм, ε_n – приведенная степень черноты:

 

 

 

где ε_ж и ε_кор - степени черноты наружной поверхности корпуса.

 

Обычно

 

Подставляя все полученные величины в исходное равенство, проверяем, соблюдается ли равенство Q_ф = Q_ж. Если равенство не выполняется, то надо изменить принятые величины t_ж и w_вр и повторить расчёт. С более подробными методиками расчёта можно познакомиться по специальной литературе.

На рис.4.25 приводятся сравнительные данные по эффективности охлаж­дения различных конструкций жаровых труб, где показаны опытные зависимости безразмерного параметра температуры стенки от параметра:

 

 

где G_вохл и F_охл – расход воздуха на охлаждение жаровой трубы и охлаждаемая площадь, соответственно.

G_г и F_ж – расход газа через поперечное сечении жаровой трубы и её площадь, соответственно.

 

 

Рис.4.25. Сравнение эффективности охлаждения различных жаровых труб при сжигании природного газа (I, 2, 3, 4 - соответствуют к, u, а, ж на.рис. 4.24).

Смесители

Назначение смесителей состоит в снижении температуры продуктов сгорания перед турбиной до максимально до­пустимой или среднемассовой в зависимости от типа ГТД, а также в создании требуемой эпюры температурного поля на выходе перед турбиной.

На рис.4.28 показаны схемы четырех типов смесителей, применяемых в ГТД и ГТУ.

 

 

Рис 4.26. Схемы смесителей ГТУ

 

 

Дырчатый смеситель (а) является наиболее простым. Сме­шение продуктов сгорания и воздуха из рубашки происходит при взаимодействии сносящего потока и боковых струй из от­верстий. Интенсивность смешения зависит от глубины проник­новения боковых струй в жаровую трубу, которая в свою оче­редь зависит от диаметров отверстий и соотношения скорос­тей боковых струй и сносящего потока. Относительная глубина проникновения определяется отношением координаты y оси изогнутой струи к радиусу жаровой трубы и должна быть в пре­делах у = y/r _ж = 0,4 - 0,5. Положение оси изогнутой струи может быть рассчитано по эмпирической формуле Г.С.Шандорова:

 

, (4.47)

 

где q₁ и q₂ - динамические напоры сносящего потока и попереч­ной струи, α - угол между векторами скоростей струи и снося­щего потока, d₀ - диаметр отверстия.

Формула (4.47) была получена Шандоровым для свободной струи. Для того чтобы учесть влияние конечных размеров ка­нала жаровой трубы, при вычислении q₁ = следует брать среднюю скорость по уравнению расхода с учётом всего вве­денного ранее воздуха (поправка В.Я.Безменова).

Дырчатые смесители обычно имеют жаровые трубы авиацион­ных камер сгорания. При этом в зоне перемешивания имеется совокуп­ность различных отверстий, рассчитанных и подобранных при доводке камеры и необходимых для формирования температурного поля перед турбиной. Сопловой смеситель (рис.4.26б) отли­чается от дырчатого наличием коротких патрубков - сопел, назначение которых состоит в увеличении глубины проникно­вения боковых струй в жаровую трубу. Такие смесители обычно имеются в крупногабаритных камерах стационарных ГТУ, где небольшие скорости воздуха в рубашке не обеспечивают требуемой глубины проникновения, и в некоторых кольцевых каме­рах, например, в старом двигателе АИ-20. На рис.4.26в показан лопа­стной смеситель, состоящий из нескольких (шести) изогнутых лопастей, приваренных с одной стороны к жаровой трубе, а с другой - к металлическому кольцу, диаметр которого составляет 0,2 - 0,3 диаметра жаровой трубы. Лопастной смеситель как бы делит поток на части, перемешивая его. Смесителями такого типа были ос­нащены камеры сгорания НЗЛ ГТ-700-5, ГТ-750-б. Лопасти изготавливаются из жароупорных сталей 1Х18К9Т и Х23Н18, для кото­рых предельно допустимыми являются температуры 800 и 1050°С, соответст­венно. Для камеры сгорания ГТК-10 на НЗЛ был раз­работан смеситель вихревого типа (рис.4.26г). Воздух, проходя по рубашке, попадает в смеситель, состоящий из нес­кольких рядов профильных лопаток, расположенных в кольцевом канале рубашки. Вихревой смеситель позволяет заметно сокра­тить длину камеры сгорания благодаря высокой интенсивности смешения и меньшей собственной длине смесителя по сравнению с ло­пастным. Неравномерность температурного поля перед турбиной в случае применения вихревого смесителя составляет 1,1 - 2,5, в то время как для лопастных смесителей в том же сечении она равна 4 - 10 %. Следует еще раз отметить, что очень большой объем работы при выборе и отработке сме­сителя приходится на экспериментальные исследования.

 

Расчет камер сгорания

Целью расчета камеры сгорания является определение ос­новных её размеров, проходных сечений, выбранных при усло­вии обеспечения максимальной полноты сгорания и минималь­ных потерь, параметров воздуха и продуктов сгорания в раз­личных участках камеры сгорания.

Расчёт камеры сгорания может быть конструкторским и поверочным. Конструкторский расчет производится при проектировании но­вой камеры, когда её геометрические размеры должны быть определены. Поверочный расчет заключается в определении параметров газа и величины потерь в камере с известными геометрическими размерами. Поверочный расчет следует про­водить, например, при постановке авиационного двигателя для работы в стационарных условиях. При проектировании ка­меры сгорания должны быть известны следующие величины:

- суммарный расход воздуха;

- температура воздуха на входе в камеру сгорания;

- давление воздуха на входе в камеру сгорания;

- температура газа на выходе из камеры сгорания;

- топливо;

- тип двигателя.

В соответствии с видом топлива определяются величины H_u, L_o, t_т. Для этого используются данные ГОСТов. Кроме того, обычно известен элементарный состав топ­лива, по которому могут быть подсчитаны величины H_u, L_o по формулам, в том числе приведенным в данной книге. По справочной и специальной литературе находится значение температуры топ­лива, при которой вязкость его не будет превышать 1 - 2 ⁰ ВУ. Требуемая температура топлива определяет необходимый его подогрев, что касается главным образом тяжёлых топлив.

Расчёт камеры сгорания проводится по следующей принципиальной схеме:

1. В тепловом расчете определяется величина суммарного коэффициента избытка воздуха α_∑ и полного расхода топ­лива G_т.

2. Определяется компоновочная схема камеры сгорания. В случае выбора секционной камеры расчет проводится для одной сек­ции, являющейся индивидуальной камерой сгорания. Расход воздуха через каждую секцию равен G_в∑ = G_в∑ /z где z - число отдельных камер в ГТД. Число камер выбирается с учётом максимального заполнения площади поперечного сече­ния двигателя и с учётом площади, занимаемой ротором турбокомпрессора.

Расстояние между камерами должно обеспечить надежный переброс пламени пламеперебрасывающими патрубками. Раз­мещение камер влияет на конфигурацию и длину диффузора камеры, размер двигателя по миделю и расположение газосбор­ников.

Выбор камер сгорания кольцевой или блочной схемы соответствующим образом меняет гидравлический расчёт.

3. Определение размеров камеры сгорания.

Здесь следует задаться значением теплонапряженности, по которому определяется объём жаровой трубы. Проходное сечение жаровой трубы кольцевой камеры или суммарное проходное сечение жаровых труб блочной камеры ∑F_ж могут быть определены из соотношения:

 

 

 

Для блочной камеры сгорания обычно задаются отношением w_кс /w_ж = 0,45 – 0,55, для кольцевой камеры – 0,64 – 0,75.

 

Длина жаровой трубы равна ℓ_ж = V_ж / ∑F_ж. Обычно ℓ_ж = (2.0 – 3.5)∙D_ж для авиационных и транспортных ГТД и ℓ_ж = (3,0 – 4,0)·D_ж для стационарных ГТУ.

 

4. Выбор параметров и размеров кольцевого диффузора камеры.

Все расчеты по выбору диффузора могут проводиться в соответствии с методикой, изложенной в главе четвёртой. В крупных индивидуальных камерах стационарных ГТУ диффузо­ры могут отсутствовать.

5. Определение длины зоны горения и расчёт подвода
воздуха в жаровую трубу.

Как правило, длина зоны горения, то есть расстояние от пе­редней границы фронтового устройства до отверстий смесите­ля, составляет 60 - 70 % от общей длины жаровой трубы. Длина зоны горения практически определяет закон тепловы­деления η_г = f(ℓ_ж), который в расчетах аппроксимируют прямой линией и окончательно определяют при доводочных ис­пытаниях камеры (рис.4.29). Далее определяется закономер­ность подачи воздуха во фронтовое устройство, зону горе­ния и зону смешения. Для этого следует задаться соответствующими значениями коэффициентов из­бытка воздуха.

Распределение воздуха по длине жаровой трубы определя­ется после конкретного выбора числа поясов и отверстий для подачи первичного, вторичного воздуха и воздуха в зону смешения. Выбор отверстий, в свою очередь, связан с заданием глубины проникновения струй воздуха в жаровую трубу.

6. Определение потерь в камере сгорания.

В соответствии с изложенными выше методами рассчитывают­ся потери в диффузоре, на фронтовом устройстве, потери на смешение и тепловые потери. Рассчитываются параметры по­тока в различных сечениях по длине камеры сгорания и определяются суммарные величины коэффициентов гидравлического сопротив­ления и восстановления полного давления.

7. Определение температурного режима стенки жаровой трубы.

Обычно расчёт температуры стенки проводится методом последовательных приближений. Первоначально задаются значением температуры стенки в соответствии с назначением двигателя, ресурсом его работы, видом топлива, используемы­ми конструкционными материалами и др. Значение температу­ры стенки обычно колеблется в пределах t_ж = 600 - 800°С для стационарных и транспортных ГТД и t_ж = 850 - 950°С (и выше) - для авиационных двигателей.

 

 

8. Расчет температурного поля перед турбиной.

Классической методики расчета температурного поля не существует и оно определяется обычно при доводочных испытаниях камеры. Для примерного расчета эпюры температур­ного поля кольцевых и блочных камер можно пользоваться методикой, разработанной для авиационных камер сгорания Г.М.Горбуновым и изложенной в работе [3].

Ниже излагается порядок теплового расчёта и даются схемы гидравлического расчета применительно к трубчато-кольцевым и кольцевым камерам сгорания авиационных ГТД

Тепловой расчет

Целью теплового расчёта является определение суммарного коэффициента избытка воздуха в камере сгорания и расхода топлива в ГТД. Уравнение баланса тепла в камере сгорания имеет следующий вид:

 

(4.48)

 

где - количество тепла, получаемое при сжигании топлива в камере сгорания;

- теплосодержание жидкого топлива, вводимого в камеру сгорания;

- теплосодержание воздуха на входе в камеру сгорания;

- теплосодержание избыточного воздуха на выходе из камеры сгорания;

- теплосодержание "чистых" продуктов сгорания (α = 1)

 

После деления уравнения (4.48) на G_Т получим формулу для определения суммарного коэффициента избытка воздуха в камере сгорания:

 

, (4.49)

 

где - полная энтальпия топлива;

- полная энтальпия воздуха на выходе из камеры сгорания;

полная энтальпия воздуха на входе в камеру сгорания;

- полная энтальпия "чистых" продуктов сгорания.

 

Величины теплоёмкостей топлива и воздуха в кДж/кг×град и значения полных энтальпий могут быть взяты по таблицам Вукаловича и ВТИ или по графикам, приведённым в литературе.

Если величина низшей теплоты сгорания неизвестна, то она может быть подсчитана по составу топлива по формуле Менделеева. Полное сгорание топлива характеризуется образованием следующих продуктов сгорания:

CO₂, SO₂, N₂, H₂O при α = 1 и CO₂, SO₂, N₂, O₂, H₂O при α >1

 

Трёхатомные газы CO₂ и SO₂ часто рассматривают совместно, обозначая их сумму как RO₂. Объёмное количество газов в "чистых" продуктах сгорания (α = 1) в соответствии с реакциями горения определяются следующими соотношениями:

 

 

 

где C^р + H^р + N^р + S^р + A^р +W^р = 100% - объёмные доли рабочей массы топлива.

 

Суммарный объём "чистых" продуктов сгорания равен:

 

 

Объёмные доли составляющих газов в "чистых" продуктах сгорания -

 

Средняя мольная теплоёмкость продуктов сгорания при p = const определяется по следующему уравнению:

 

 

Величины r_i известны, а мольные теплоёмкости составляющих газов могут быть взяты по таблицам Вукаловича для данной температуры T_Г^*. Массовая теплоёмкость продуктов сгорания определяется по формуле: ,

где

 

 

Теперь по формуле (4.49) может быть подсчитан суммарный коэффициент избытка воздуха

Расход топлива в ГТД определяется по формуле:

 

(4.50)

 

Если стехиометрический коэффициент L₀ неизвестен, то его можно определить по элементарному составу топлива, как было показано в главе второй. Величина расхода воздуха известна из теплового расчёта ГТД, а значениями η_Г обычно задаются, исходя из назначения и конструкции двигателя:

 

η_Г = 0,97 – 0,98 для камер сгорания авиационных ГТД;

η_Г = 0,98 – 0,99 для камер сгорания стационарных ГТУ.

Гидравлический расчет

Рассмотрим порядок конструкторского расчета камер сгорания нескольких типов. Выбор типа и компоновочной схемы камеры сгорания зависит от типа газотурбинной установки, для которой эта камера проектируется. Подробная методика конструкторского и поверочного расчётов трубчато-кольцевых и кольцевых камер сгорания авиационных ГТД разработана Г.М.Горбуновым [2].