Глава 5. Испытания камер сгорания

Экспериментальное исследование созданной камеры сгора­ния проводится с целью определения соответствия действительных её характеристик запроектированным. Если имеется большое расхождение, то проводятся доводочные работы. Ос­новной характеристикой камеры сгорания, отражающей полноту сгорания топлива, служит зависимость при G_в = const и G_т = var (рис.5.1а). Эта характеристика показывает закон тепловыделения в камере и границы бедного и богато­го срыва.

На величину η_гмакс влияет ряд факторов, в том числе од­ним из главных является способ подачи вторичного воздуха в зону горения. Интенсивность тепловыделения по длине жа­ровой трубы, то есть протекание характеристики η_г = f(ℓ_ж), а следовательно, и длина зоны тепловыделения, также опреде­ляется числом и размерами отверстий для подвода вторичного воздуха. Качественный график этой зависимости показан на рис.5.1б.

Для камер сгорания ГТД очень важной является срывная характеристика, определяющая область устойчивого горения топлива. Эта характеристика зависит от состава смеси, ско­рости, температуры и давления воздуха на входе в камеру сгорания. Срывная характеристика показана на рис.5.1а. При испытаниях камеры сгорания снимаются характеристики зависимости по­терь полного давления от режимных и других факторов, а так­же температурное поле на выходе жаровой трубы. Вид этих харак­теристик был рассмотрен в предыдущих главах.

Для камер сгорания ГТД и ГТУ наиболее достоверные результаты могут быть получены при испытании на двигателях. Однако это связано с риском вывести из строя тур­бину и, кроме того, возможны сильные вибрации при неустой­чивом горении. Исследовательские и доводочные испытания авиационных ГТД должны проводиться также и на высотных стендах.

 

 

Рис.5.1. Характеристики камеры сгорания: а – по срыву пламени; б – по полноте сгорания

 

 

Рис.5.2. Принципиальная схема установки для испы­тания камеры сгорания ГТД

1 - входной вентиль, 2 - кран перепуска воздуха, 3 - мерный участок, 4 – подогревателъ, 5 – ресивер, б и 7 – пьезометры, 8 – камера сгорания, 9 - мерный участок, 10 - дроссельная заслонка, 11 – глазок, 12 – воспламенитель, 13 – термопара, 14 - манометры давления топлива, 15 и 16 - краны грубой и тонкой регули­ровки давления топлива в главном канале, 17 - кран регули­ровки давления топлива во вспомогательном канале, 18 - демпфер колебаний давления, 19 - кран перепуска топлива, 20 - перепускной предохранительный клапан, 21 - основной насос, 22 - насос подкачки топлива, 23 – фильтр, 24 – ротаметр, 25 - топливный кран, 2б - штихпробер

 

 

Для испытания натурной кольцевой камеры сгорания требуется мощ­ное компрессорное оборудование, обеспечивающее большой рас­ход воздуха, поэтому обычно испытывается трехгорелочный отсек. При этом можно полагать, что рабочий процесс горения за средней горелкой будет таким же, как на полноразмер­ной камере. Испытания трубчато-кольцевых камер в этом смыс­ле проще, так как жаровые трубы обособлены и рабочий про­цесс в них мало зависит от соседних. Поэтому в блочных ка­мерах испытывается только один отсек. Естественно, что крупногабаритные камеры сгорания стационарных ГТУ требуют при ис­пытаниях большого расхода воздуха, так как в работе через них проходит весь расход. В этих условиях на повестку дня выходят очень важные вопросы моделирования. Типовая принципиальная схема установки для испытания отсека камеры сгорания приведена на рис.5.2.

Расход и давление в камере регулируются дросселирующим краном 1 совместно с краном перепуска 2 и охлаждающей дроссельной заслонкой 10. Расход топлива в камере измеряется объемным (штихпробер 26) или весовым способом. Для быстрого вывода камеры на необходимый режим в топливной магистрали обычно рядом с штихпробером устанавливают ротаметр 24. Помимо стандарт­ных измерений проводятся различные измерения, определенные программой исследования или испытания камеры сгорания.

Ниже представлены основные методы измерения расходов, ско­ростей, давления и температуры в камере сгорания и в магистралях испы­тательного стенда.

Измерение температуры

На стендах по испытанию камер сгорания применяются сле­дующие виды термометров:

- Жидкостные термометры для измерения температуры окружаю­щей среды, воздуха и жидкости в трубопроводах;

- Термометры сопротивления для измерения температуры воз­духа и топлива;

- Термопары для измерения температуры горячих газов, по­верхностей деталей;

- Оптические пирометры и лазерные приборы для измерения температуры пламени.

Принципы работы и устройство первых двух видов термо­метров широко известны. С устройством и принципом действия сложных электронных приборов можно познакомиться по специальной литературе. Подробнее остановимся на устройстве и работе термоэлектрических термометров (термопар), простых и доступных методов измерения температуры.

Широкое применение термопар объясняется рядом их преимуществ по сравнению с другими приборами, а именно возмож­ностью измерения температуры в точке, широким диапазоном измерения, возможностью дистанционной передачи измерений. К недостаткам термопар следует отнести необходимость при­менения точных и чувствительных приборов и термостатирования холодного спая. В таблице 5.1 представлены стандартные тер­мопары, выпускаемые промышленностью и имеющие градуировочные характеристики.

Кроме представленных в таблице, применяются и другие термопары, например медь-константан для точного изме­рения низких температур и тарировки технических термомет­ров от 0 до 100°С. Термопары вольфрам-молибден или вольфрам-рений применяются для измерения высоких темпе­ратур до 2000°С. Эти термопары легко окисляются и должны работать в закрытом кожухе. При нагреве спая в термопаре появляется электродвижущая сила (ЭДС), измеряемая в милливольтах, форма спая может быть в виде шара или П–образной.

Экранирование термопары ухудшает точность показаний. Опы­ты показали, что наилучшие результаты дают измерения тер­мопарами с открытым спаем, что иллюстрируется графиком на рис.5.3. Большую точность даёт термопара с П-образным спаем, так как в ней сведена к минимуму ошибка, связанная с утечкой тепла по электродам. Уменьшение размеров горячего спая снижает ошибку на излучение, особенно заметную при измерении высоких темпера­тур. При измерении температуры газа, движущегося с большой скоростью, возникает погрешность, связанная с неодинаковым торможением потока в различных участках датчика, то есть горя­чего спая. Зависимость действительной температуры датчика от параметров потока выражается следующей формулой:

 

, (5.1)

 

где r - коэффициент восстановления температуры (изме­няется от 0 до 1), w – скорость потока газа, с_p – теплоёмкость газа при постоянном давлении.

Формула (5.1) показывает степень преобразования скоростного напора пото­ка в энтальпию на поверхности датчика. Значение коэффициента восстановления зависит от определяющих критериев (числа М, Rе, Рr, Nu, показатель адиабаты k) и даже для одного датчика не является посто­янной величиной, что затрудняет использование термопар с открытым спаем в высокоскоростных потоках. Поэтому датчи­ки термопар, предназначенные для работы в высокоскорост­ных потоках (число Маха M > 0,5), часто снабжают специальными ловуш­ками, внешний вид которых и соответствующие графики пока­заны на рис.5.4.

Для определения температурных полей в сечениях могут быть использованы специальные гребёнки термопар, передвиж­ные или вращающиеся термопары. Точность измерения темпера­туры в каналах зависит от установки термометра, в прямом канале термометр должен устанавливаться наклонно, а при установке в изгибе трубопровода вдоль его оси (рис.5.5).

 

Таблица 5.1

 

Материал термоэлектродов	Обозначение	Верхний температурный предел, ˚C
Длительное измерение	Кратковременное измерение
Платинородий-Платина	ПП
Хромель-Алюмель	ХА
Хромель-Копель	ХК
Никелькобальтовый сплав	НК-СА

 

 

 

Рис.5.3. Сравнение замеров температуры различными термопарами

 

 

 

Рис.5.4. Конструкция датчиков термопар для измерения температуры в высокоскоростном газовом потоке

 

 

 

Рис.5.5. Установка термометров в трубопроводах