2. Лекция № 8
Камера сгорания служит для повышения температуры рабочего тела, проходящего через
двигатель. Подвод тепла реализуется в ней путем непрерывного сжигания топлива в
воздушном потоке.
К топливам авиационных двигателей предъявляется целый ряд требований. Важнейшие
из них: малая токсичность, большие сырьевые ресурсы и небольшая стоимость, высокие
массовая удельная теплота сгорания Hu и плотность ρт, а также эксплуатационные
требования такие, как стабильность физико-химических свойств при хранении и прокачке
по трубопроводам, оптимальная испаряемость и другие.
Массовой низшей удельной теплотой сгорания Н и называют количество тепла, которое
выделяется в калориметре при полном сгорании 1 кг топлива и последующем охлаждении
продуктов сгорания до начальной температуры топлива и воздуха Т0 = 293 0К без учета
тепла конденсации содержащихся в них паров воды .Теплота сгорания - важнейшая
характеристика топлива, поскольку при одинаковом подводе тепла его расход обратно
пропорционален величине Нu.
Тип углеводородного топлива
Бензин
Широкая фракция
Керосин
Керосиногазойль
Hu, кДж/кг
43620...43830
43000... 43540
42900... 43330
42570... 43120
ρт, кг/м3
700... 730
750... 770
780... 830
840 .,. 860
3. Лекция № 8
Основные параметры режима и показатели
качества работы камеры сгорания
Параметры режима. Сжигание топлива - весьма сложный физикохимический процесс высвобождения химической энергии топлива и
преобразования ее в тепловую энергию продуктов сгорания (окисление
топлива кислородом воздуха). Он зависит от большого числа факторов, к
которым относится, прежде всего, состав смеси: соотношение между
расходом топлива (горючего) и воздуха (окислителя).
Состав смеси принято характеризовать коэффициентом избытка воздуха
α, которым называют отношение расхода воздуха, действительно
проходящего через камеру сгорания Gвг, к расходу, теоретически
необходимому для полного сгорания подаваемого топлива. Поскольку для
полного сгорания 1 кг топлива требуется L0 = 14,8 кг воздуха, то
α = Gвг /(Gт L0 ) = 1 /(14,8qт )
qт
Где = Gт / Gвг - относительный расход топлива - отношение расхода
топлива к расходу воздуха, проходящего через камеру сгорания.
4. Лекция № 8
При α = 1, как следует из самого определения, в камеру сгорания
поступает воздуха ровно столько, сколько необходимо для полного сгорания
топлива. Такое соотношение топлива с воздухом называется
стехиометрическим. Если α < 1, то воздуха поступает меньше, чем это
необходимо для сгорания топлива. Часть топлива остается несгоревшей.
Такая смесь называется богатой (топливом). Если α > 1, то, наоборот, воздуха
больше, чем необходимо (часть кислорода воздуха остается невостребованной
для сгорания топлива). Такая смесь называется бедной. (Как будет показано
далее, камеры сгорания воздушно-реактивных двигателей работают на
бедных смесях.)
Очевидно, что теоретически максимальная температура рабочего тела на
выходе из камеры сгорания получается при α = 1 (чему соответствует,
согласно (8.1), qтmax = 0,0676). В любом другом случае несгоревшие
окислитель (α > 1) или горючее (α < 1) охлаждают продукты сгорания, так как
они имеют существенно более низкую температуру по сравнению с
температурой непосредственных продуктов сгорания.
Подчеркнем, что при увеличении режима работы двигателя, а
следовательно, и расхода топлива, коэффициент избытка воздуха α
уменьшается, и наоборот, - при снижении режима он увеличивается.
5. Лекция № 8
Величина относительного расхода топлива qт широко
используется в термогазодинамических расчетах при проектировании
двигателя и расчете его характеристик. При известной удельной тяге
значением qт практически однозначно определяется удельный расход
топлива ТРД - одна из важнейших величин, характеризующих
эффективность работы двигателя. При известном расходе воздуха
через камеру сгорания значением qт определяется расход топлива
G = q т Gвг
через двигатель: т
Кроме коэффициента избытка воздуха α, процесс горения топливовоздушной смеси зависит от параметров рабочего тела на входе в камеру
сгорания: давления , температуры и скорости потока. (Понятно, что
эффективность сжигания топлива и даже возможность его воспламенения
зависят также от организации рабочего процесса)
Перечисленные величины являются основными параметрами режима
работы камеры сгорания.
6. Лекция № 8
Коэффициент полноты сгорания топлива
Эффективность работы камеры сгорания оценивается двумя основными
коэффициентами: полноты сгорания топлива ηг и восстановления полного
давления σкс.
Коэффициентом полноты сгорания (выделения тепла) ηг называют
отношение количества тепла, подведенного к воздушному потоку в камере
сгорания GвгQ1,, к располагаемой (химической) энергии внесенного в
двигатель топлива GтHu:
ηã =
Gâã Q1
Q
Q
= 1 = 1
Gò H u qò H u Q0
где Q1- тепло, подведенное к 1 кг воздуха; величина Q1 выражается
через полную температуру рабочего тела на выходе из камеры сгорания и
на входе в нее; Q0 - располагаемая энергия внесенного в двигатель топлива
Q 0 = qт H u
в расчете на 1 кг воздуха, проходящего через камеру сгорания;
7. Лекция № 8
Коэффициент восстановления давления КС.
Устойчивость работы.
Коэффициентом восстановления полного давления σкс называют
отношение полных давлений на выходе из камеры сгорания и на входе в
нее:
Полное давление по длине камеры сгорания снижается вследствие
Надежность работы камеры сгорания оценивается диапазоном ее устойчивой
гидравлического сопротивления и подвода тепла.
(по срыву пламени) работы и устойчивого запуска, а также величиной
неравномерности температурного поля на выходе из камеры сгорания. (Здесь
рассматриваются показатели надежности, имеющие непосредственное отношение
к рабочему процессу камеры сгорания. Оценка ее надежности в целом выходит за
рамки теории двигателей.) Диапазоном устойчивой работы называют зависимости
максимального значения αmax, характеризующего так называемый бедный срыв
пламени, и минимального значения αmin, характеризующего богатый срыв, от
параметров режима и разность между ними
α max − α min
8. Лекция № 8
Неравномерность температурного поля в КС.
Неравномерность температурного поля на выходе из камеры сгорания
определяют как разность между замеренными значениями температуры
газа, во множестве точек выходного сечения Г и их среднемассовым
значением . Относительная неравномерность представляет собой отношение
этих разностей к величине подогрева газа в камере сгорания
Экологические характеристики камеры сгорания оцениваются по величинам
концентрации вредных веществ в продуктах сгорания.
9. Лекция № 8
Определение относительного расхода топлива и
оценка максимально возможной температуры газа
перед турбиной
Вывод и анализ формулы относительного расхода топлива. Вычисление
величины относительного расхода топлива qт с возможно большей точностью,
как следует из вышесказанного, является насущной необходимостью
термогазодинамических расчетов. Формула для qт определяется на основании
уравнения теплового баланса. Сформулируем его для сечений на входе в камеру
сгорания К и на выходе из нее Г: сумма теплосодержания исходных
компонентов (воздуха
и"холодного"
топлива) и химической
энергии, выделившейся при сгорании топлива, равна теплосодержанию
конечных продуктов сгорания. Представим его в следующем виде:
*
*
Gв c Tk Tk* + G т c Tтт Tт + G т H pη г = Gг c Tгг Tг*
p
p
p
Запишем уравнение теплового баланса для случая сжигания топлива в
калориметре:
Левую и правую части полученного соотношения поделим на Gв и после
несложных преобразований будем иметь формулу для относительного расхода
c Tг Tг* − c T Tk* − c Tг T0 + c T T0
p
p
p
p
топлива:
q =
*
г
т
*
k
*
0
0
H uη г − c Tгг Tг* + c T0г T0 + c Tтт Tт − c T0т T0
p
p
p
p
10. Лекция № 8
Определение температуры газа
Известная простая формула
которая получается из элементарного уравнения
теплового баланса (8.1 г), т.е. при условии, что
масса рабочего тела и его теплоемкость в
процессе подвода тепла не изменяются, дает
большую ошибку. Поэтому ею нельзя
пользоваться при выполнении проектных
расчетов и при расчетах характеристик
двигателя.
Температуру газа на выходе из камеры сгорания
Зависимость температуры от выразим через температуру
на входе
коэффициента избытка
воздуха α(αзг) при
Tк* = 900 K (___)
и 700 K (---)
11. Лекция № 8
Определение максимальной температуры газа
Как отмечалось ранее, максимальная температура продуктов сгорания
должна обеспечиваться при α= 1, в действительности максимум
незначительно смещается в область α < 1, так как при α = 0,96 ... 0,98
затраты тепла на диссоциацию несколько уменьшаются.
Принимая α= 1, получим
Итак, с термодинамической точки зрения максимально возможная
температура газа перед турбиной достигает ~ 2700 0К (при ≈900 К).
12. Лекция № 8
Контрольные вопросы
•Назовите основные требования, предъявляемые к камерам сгорания.
•Как определяются потери полного давления в камере сгорания?
•Что такое коэффициент гидравлических потерь?
•Как определить коэффициент восстановления полного давления?
•Какие характеристики имеются у камеры сгорания?
•Что такое коэффициент избытка воздуха?
