Исаев Александр Иванович,

д.т.н., профессор, Иркутский Филиал МГТУГА, заведующий кафедрой «Авиационных двигателей»

тел. 89149383927

Сафарбаков Андрей Мирсасимович,

к.т.н., доцент Иркутский Филиал МГТУГА, доцент кафедры «Авиационных двигателей»

тел. 89148874327, e-mail:safarbakov@yandex.ru

Майрович Юрий Игоревич

инженер кафедры «Авиационных двигателей» Иркутский Филиал МГТУГА

Гидродинамические исследования структуры потока в жаровой трубе импульсной камеры сгорания авиационного ГТД.

Камера сгорания - устройство, в котором в результате сгорания топлива осуществляется повышение температуры поступающего в него воздуха (газа) [1].

Известна импульсная камера сгорания (ИКС) ГТД трубчатого типа прерывистого действия, состоящая из: фронтового устройства 1, жаровой трубы 4, газосборника 5, импульсной топливной форсунки 6, свечи зажигания 7 (рис. 1) [2]. Фронтовое устройство, выполнено в виде обратного клапана [3], который пропускает поток в жаровую трубу, но препятствует его выходу в обратном направлении. Оно включает в себя корпус обратного клапана 1 с профилированными каналами подачи воздуха в жаровую трубу, тарельчатый клапан 2 закрепленный на штоке с возвратной пружиной.

Фронтовое устройство ИКС предназначено для обеспечения подачи воздуха в жаровую трубу и организации зоны обратных токов (ЗОТ), которая необходима для эффективного перемешивания воздуха и топлива для создания топливовоздушной смеси (ТВС). В связи с этим во фронтовое устройство ИКС следом за тарельчатым клапаном устанавливается периферийный завихритель потока 3 (рис. 1). Завихритель – это устройство, имеющее элементы, закручивающие воздух или топливовоздушную смесь, для осуществления процесса горения в камере сгорания [1].

Поток воздуха, прошедший через обратный клапан, попадает в завихритель, где получает определенную закрутку. Такой поток образует в жаровой трубе тороидальное течение, в котором эффективно перемешиваются воздух и топливо, поданное из топливной форсунки. Хорошо перемешанная ТВС при сгорании выделяет повышенное содержание тепла, увеличивается импульс тяги.

В качестве элементов закручивающих ТВС, в завихрителе применяются профили, передняя часть которых ориентирована по направлению воздушного потока, а концевик профиля имеет угол закрутки, позволяющий завихрить поток (рис. 2, фото. 1).

На рисунке 2 приведены используемые обозначения геометрических величин характеризующих завихритель с плоскими пластинчатыми лопатками: - угол выхода из завихрителя; c - хорда лопатки; s – шаг установки лопаток; - высота лопатки завихрителя; - внутренний диаметр завихрителя; - внешний диаметр завихрителя. Все эти геометрические характеристики влияют на объем ЗОТ создаваемой в жаровой трубе ИКС.

Геометрические характеристики завихрителя определяют величину зон обратных токов в жаровой трубе. В результате проведенных гидродинамических исследований установлено, на объем ЗОТ в жаровой трубе существенно влияет угол выхода из завихрителя _.

Для проведения гидродинамических исследований использовалась модель импульсной камеры сгорания трубчатого типа, с фронтовым устройством, выполненным в виде обратного клапана с завихрителем. Модели завихрителей изготавливались с углами выхода изменяющимися от 10⁰ до 70⁰, с фиксированной высотой лопатки и фиксированным шагом установки лопаток .

За характерный линейный размер принята величина =56 мм равная диаметру тарелки обратного клапана. Линейные размеры выражены в относительных величинах:

= – относительный диаметр жаровой трубы модели камеры сгорания;

= – относительный диаметр выходного сечения газосборного устройства камеры сгорания;

₌ – относительная высота лопаток завихрителя;

- относительный шаг установки лопаток завихрителя

₌ - относительная длина камеры сгорания.

Углы выхода из завихрителя принимались равными 10⁰, 30⁰, 50⁰, и 70⁰. Высота лопаток z завихрителя принималась равной =0.18. Диаметр жаровой трубы принимался равным 1.39. Диаметр выходного сечения газосборника принимался равным 1.39.

Для получения качественной картины пространственных течений модели КС изготавливались из органического стекла. Фронтовое устройство с завихителями было изготовлено из металла. Расход рабочего тела (воды) поступающего через фронтовое устройство в модель КС оставался постоянным в течение всех экспериментов.

Экспериментальные исследования для получения качественной картины течения в модели камеры сгорания проводились следующим образом. Через фронтовое устройство в модель КС с фиксированным значением угла выхода из завихрителя , фиксированной высотой лопатки , фиксированным диаметром жаровой трубы КС и фиксированным диаметром выхода из сопла газосборника задавался определенный расход воды . В результате этого в модели КС возникали тороидальные течения, которые фиксировались фотоаппаратом и видеокамерой. После проведения эксперимента изменялся угол выхода из завихрителя при постоянстве других значений и исследования продолжались.

При проведении параметрических исследований определялись площади ЗОТ в канале модели жаровой трубы КС. Площади ЗОТ фиксировались при помощи подкрашенной жидкости вводимой с помощью медицинской иглы в зоны осевого, кольцевого и циркуляционного течения по всей длине модели КС.

Впоследствии, площади ЗОТ оценивались в процентах от общей площади КС.

Замеры по определению высоты зон кольцевого и циркуляционного течения по диаметру КС проводились через расстояние L=3 см по длине жаровой трубы КС. Нулевое значение координаты отсчета находилось под срезом завихрителя.

По результатам параметрических исследований был построен график зависимостей площадей ЗОТ по длине камеры сгорания при изменении угла выхода из завихрителя (рис. 3).

Анализ данного графика показывает, что завихрители со всеми углами выхода создают зоны обратных токов. Отличие заключается в характере протекания зависимостей. Так для завихрителя с углом выхода =70⁰ видно, что максимальная площадь ЗОТ находится на входе в КС. Причем, в головной части КС значения площадей ЗОТ у данного завихрителя, несколько выше, чем у других завихрителей. Объяснить это можно тем, что данный завихритель имеет большой угол выхода и, следовательно, поток из него выходит с большой степенью закрутки. Эта закрутка потока и обеспечивает максимально объемную ЗОТ. Но объемная ЗОТ существует не по всей длине КС из-за того что окружная и осевая составляющая скорости потока по ее длине начинают уменьшаться за счет сил вязкости и трения. Так как поток имеет большую степень закрутки, то максимум окружных и осевых составляющих скоростей будет наблюдаться за фронтовым устройством. В результате максимальная площадь ЗОТ будет находиться на входе в КС за фронтовым устройством, а по мере удаления от него площади ЗОТ будут уменьшаться.

Для завихрителя с углом выхода = 10⁰ на входе в КС так же наблюдаются максимальные ЗОТ. Объяснить это можно тем, что поток, вышедший из лопаток завихрителя, обладает очень большой осевой и малой окружной составляющей скорости. Тем не менее, напряжение сдвига за счет большой осевой составляющей скорости потока образует объёмную площадь ЗОТ сразу за фронтовым устройством. Существенное влияние на площадь ЗОТ за фронтовым устройством в данном случае оказывает и тарелка обратного клапана, которая является плохообтекаемым телом и за собой создает зону сильно возмущенного турбулентного течения, которая и является ЗОТ. Так как в данном случае степень закрутки потока мала и мала энергия сдвига, то за зоной турбулентного течения существует точка полного торможения и в дальнейшем по длине камеры сгорания ЗОТ не образуется. За точкой полного торможения существует только лишь слабое кольцевое течение, которое не может инициировать циркуляционное течение.

Среднее значения площадей ЗОТ за фронтовым устройством создаёт завихритель с углом, выхода = 30⁰. Объяснить данное явление можно тем, что в данном случае удовлетворительными для образования ЗОТ является и осевая и окружная составляющая скорости потока по длине КС. Поэтому площади ЗОТ по длине КС имеют примерно одинаковые значения за исключением входа, где влияние на ЗОТ оказывает тарелка обратного клапана.

Несколько меньшие значения ЗОТ на входе в КС создает завихритель с углом выхода = 50⁰. Объяснить это можно тем, что завихритель с таким углом выхода несколько меньше закручивает поток. Соответственно меньше и объем ЗОТ. В дальнейшем по длине КС скорости в кольцевом течении становятся примерно такими же как и для завихрителя с углом выхода потока = 30⁰ и соответственно равными оказываются и площади ЗОТ по длине КС.

На выходе из камеры сгорания в сопловом сечении площади ЗОТ создаваемые завихрителями с углами выхода потока равными 30⁰, 50⁰ и 70⁰несколько возрастают. Объяснить данное явление можно тем, что поток, выходящий из среза сопла КС, всасывает в себя часть среды снаружи за соплом и тем самым скорости на срезе сопла увеличиваются, что ведет к увеличению площадей ЗОТ. Данное явление не наблюдается у завихрителя с углом выхода =10⁰ так как он не создает зон обратных токов на больших удалениях от фронтового устройства.

Из анализа протекания данных зависимостей можно сделать вывод, что наибольшие площади ЗОТ по длине и радиусу КС создают завихрители с углами выхода потока , лежащие от 50⁰-70⁰.

Трансформируя данный график и строя его в координатных осях % ЗОТ в зависимости от можно построить график, показанный на рисунке 4.

Анализ данного графика показывает, что при увеличении угла выхода из завихрителя площадь ЗОТ сначала возрастает до некоторой величины, а затем начинает уменьшаться.

При =0⁰ угла крутки потока нет, но ЗОТ присутствует, так как она будет обеспечиваться тарелкой обратного клапана, являющейся плохообтекаемым телом. При изменении от 0⁰ до 30⁰ увеличивается крутка потока, возрастает энергия его сдвига и площадь ЗОТ увеличивается. В диапазоне углов от 50⁰ до 70⁰ составляющие осевой и окружной скорости по длине КС имеют удовлетворительные значения для создания максимальных площадей ЗОТ. При увеличении от 70⁰ до 90⁰ начинают закрываться межлопаточные проходы в завихрителе, уменьшаются значения осевых и окружных составляющих скоростей и площадь ЗОТ начинает уменьшаться. При =90⁰ зоны обратных токов отсутствуют, так как лопатки завихрителя полностью перекрывают поток, вышедший из фронтового устройства.

По результатам исследования можно сделать вывод, что наиболее оптимальные углы выхода потока из завихрителя, создающие максимальные площади ЗОТ, лежат в пределах, изменяющихся от 50⁰ до 70⁰.

Список использованных источников:

1. ГОСТ 23851-79. Двигатели газотурбинные авиационные. Термины и определения.

2. Исаев А.И., Сафарбаков А.М., Богданович Д.В., Майрович Ю.И. Конструкция импульсной камеры сгорания для газотурбинного двигателя: Высокие технологии, экономика, промышленность. Т. 2, Часть 2: Сборник статей тринадцатой международной научно-практической конференции “Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности и экономике“. 24-26 мая 2012 года, Санкт-Петербург, Россия / под ред. А.П. Кудинова. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. – 67-71 с.

3. ГОСТ 24856 – 81. Арматура трубопроводная промышленная. Термины и определения.