Гидравлические потери в серийной и модернизированной многофорсуночной камере сгорания ГТД

порядке. Форсунки располагаются в отверстиях корпуса головки, вокруг каждой форсунки в корпусе головки выполнены фигурные окна 11 для подвода воздуха к завихрителям. Топливо из струйных форсунок подается во внутреннюю полость конуса форсунки [1].

На наружном и внутреннем кожухах установлены смесительные патрубки 12, которые способствуют эффективному перемешиванию вторичного потока воздуха и газа для обеспечения допустимой температуры газов перед турбиной двигателя. Наружный и внутренний корпус является сварными узлами, выполненным из жаропрочного сплава.

С целью улучшения характеристик серийной камеры сгорания (рис. 1) в конструкцию жаровой трубы были введены ряд изменений (рис. 2).

Основным конструктивным отличием модернизированной камеры сгорания от серийной, является наличие втулок вместо имеющихся отверстий для подачи воздуха в зону горения, что связано с увеличением пробивной способности струй втекающих в зону горения и как следствие к интенсификации процессов смешения в данной зоне. Так же произведена замена «патрубков смесителей» в наружном и внутреннем кожухах жаровой трубы на втулки подачи воздуха в зону смешения. Они установлены в два ряда в шахматном порядке (рис. 2).

Испытания камеры сгорания по определению гидравлических потерь, производились на установке (рис. 3). Рабочим телом установки является воздух, отбираемый от компрессора двигателя НК-16СТ. Магистраль подачи воздуха оборудована стандартным расходомерным устройством с соплом Вентури для измерения расхода.

Кольцевой канал конечного участка установки препарирован под измерение полного давления (Р*2) с помощью трех пятиточечных гребенок, статического давления (Р2) в четырех точках и температуры (Т*2) с помощью шести термопар.

Рис. 1. Камера сгорания НК-16-18СТ

Рис. 2. Модернизированная камера сгорания НК-16-18СТ

Рис. 3. Схема стенда для испытаний полноразмерных камер сгорания

На выходе из камеры сгорания устанав-ливалась восьми точечная гребенка полного давления (Р * ₄). Дополнительно для оценки перепада давлений на стенке жаровой трубы измерялись полные давления в полости между кожухами и корпусами камеры сгорания; а именно в трех точках по окружности наружной полости (Р * _ЖТнар) и в трех точках по окружности внутренней полости (Р * _{ЖТ внут}) [2].

Динамическое подобие течений в камере сгорания на установке и на двигателе обеспечивается при равенстве значений приведенной скорости ХвхКС на входе в камеру сгорания. Зна чение ХвхКС на максимальном режиме работы ГТД составляет 0,28.

На входе в камеру сгорания определялись и рассчитывались следующие параметры потока.

Расход воздуха определяется при помощи зависимости:

G = 0,01252 . а , ^ . m , d 2 . /^ , д _р . ю4 , (1)

В 3600 в в               в в , где m = (d / D)2 - относительная площадь раскрытия сужающегося устройства

Дрв - перепад давления воздуха в сужающем устройстве, рв - плотность воздуха в сужающем устройстве, а в - коэффициент расхода сужающего устройства, £ в - поправочный множитель на расширение измеряемой среды.

Избыточное давление:

вх.КС изб.       вх.КС - н ;

Функция приведенной плотности потока

массы:

q (Я_ ) =

О 3965 Р *    F ;

0,³⁹⁶⁵ P вх .КС ± вх.КС

ризующие изменение гидравлических потерь в камере сгорания и в жаровой трубе г - КС , г - Ж._Т в зависимости от приведенной скорости. Графики показывают, что значения перепада на стенках и потерь в камере сгорания для серийной камеры меньше, чем аналогичные параметры для модернизированной камеры сгорания.

Коэффициент восстановления полного давления в камере сгорания

F*вх.КС– площадь на входе в камеру сгорания

Приведенная скорость воздуха на входе в камеру сгорания λвх КС .

Я к = 0,1897 ■ q ( Л _к ) ⁴ - 0,0526 ■ q ( Л _к ) ³ +

+ 0,0493 ■ q ( Я _к ) ² + 0,6285 ■ q ( Я _к ) + 0,0001 . (4)

Потери полного давления в камере сгорания и в жаровой трубе (относительно давления на входе в камеру сгорания) [1] составляют:

Р * Р *

г- КС =     —4- ■ 100%;

Рвх. КС

**

г- ЖТ = -Ж*—1 ■ 100%;(6)

Р вх.КС

° КС = ^Р*4 / ^Р*вх КС

.

На графиках (рис. 5) видно, что коэффици-

ент восстановления полного давления о _КС в модернизированной камере сгорания ниже, чем в

серийной камере.

Значение пропускной способности камеры сгорания по воздуху B = f ( л ) [3]:

В = В \ В , Р *

В

На рис. 4 построены графики зависимостей гр КС = f(Ях.КС ) и гр Ж.т = f(Явх.КС ), характе-

где G_B , T^*_B , P^*_B – соответственно весовой расход воздуха, его температура, полное давление на входе в камеру сгорания.

Из графика (рис. 6) видно, что пропускная способность серийной и модернизированной камер сгорания близки по своим значениям и имеет идентичный харакер изменения с увеличением режима по приведенной скорости, что свидетельствует

Рис. 4. Потери полного давления в камере сгорания в зависимости от приведенной скорости:

^ Р _кс ♦ - серийная камера сгорания; ■ - модернизированная; ^._т ▲ - серийная камера сгорания; х - модернизированная

Рис. 5. Коэффициент восстановления полного давления в камере сгорания в зависимости от приведенной скорости: ♦ - серийная камера сгорания; ■ - модернизированная

Рис. 6. Пропускная способность камер сгорания в зависимости от приведенной скорости:

♦ -серийная камера сгорания; ■ - модернизированная

о том, что в составе двигателя будет обеспечено продвижение необходимого количества воздуха.

Анализ возможных причин изменения гидравлических параметров в модернизированной камере по сравнению с серийной показал следующее. Площадь проходного сечения 70 наружных и 70 внутренних патрубков смесителя составляет F_карм = 226,7 см² и 275,8 см² соответственно (F_{кaрм х} = 502,4 см²), что больше площади 140 (d_BT = 20 мм) Fвт = 439,8 см² втулок которые имеются в модернизированной камере.

Суммарная площадь отверстий в жаровой трубе камеры сгорания двигателя НК-16-18СТ с учетом фронтового устройства составляет F_{Ж.Т сер} = 1629 см². Площадь F_Ж.Т модернизированной камеры составляет ^FЖ.Т м/д = ^FЖТ сер ^- F kapM _X - F_B m = 1566 см² .

Уменьшение суммарной площади отверстий в жаровой трубе составило

^{А F}Ж.Т = ^FЖ.Т сер ^{— F}Ж.Т м/д = ¹⁶²⁹ см 2 ^{— 1566 СМ}2 = = 63 см² (3,87 %).

Воспользовавшись зависимостью для определения коэффициента гидравлических потерь в жаровой трубе (без учета тепловых потерь) можно

ются следующим образом

5 Р *КС = 4,5 % вместо 4,3 % ;

5 Р * _ЖТ = 3,3 % вместо 2,95 % ;

о КС = 0,954 вместо 0,957.

Оценка изменения эффективного КПД двигателя при уменьшении коэффициента восстановления полного давления в камере сгорания на-0,31% определенный при помощи зависимости:

5а

кс

а - а кс модерн кс серийн

а кс серийн

• 100% .

При постоянном значении мощности (18 МВт) изменение эффективного КПД двигателя

составит:

- относительное значение КПД

^Эф

⁵П дв • ^ кс

5а

кс дв

оценить влияние уменьшения степени раскрытия камеры сгорания на изменение гидравлического сопротивления [4]:

При 5п _дв = 0,45% ; 5а _ксдв = 1% значение составит -0,1285%.

- абсолютное значение КПД

. * = 5П эф " Ч эф

^{П эф}    100% ,

^ : Ж = ^ 0

( Z7

FK

\ 2

где Пэф — эффективный КПД двигателя равный 31; при этом значение А ^ эф составит - 0,0398%

(I M F o )

.

ВЫВОДЫ

В результате можно заметить, что уменьшение площади отверстий в жаровой трубе будет приводить к увеличению потерь и составляет для серийной камеры ^ _{: Ж} = 0,89, а для модернизированной ^ _: Ж = 0,964.

Увеличению гидравлического сопротивления модернизированной камеры сгорания способствует также то, что в отличие от патрубков смесителя спрофилированных по потоку, втулки выполнены под углом более 90о к осевому направлению потока, что приводит к потерям давления на поворот.

Параметры, характеризующие гидравлическое сопротивление камеры сгорания изменя-

• 1.    Разработан способ оценочного расчета влияния изменения гидравлических потерь в камере сгорания на КПД двигателя.

• 2.    Определено, что замена патрубков смесителя на втулки меньшей площади привела к увеличению гидравлического сопротивления модернизированной камеры сгорания, что в свою очередь приводит к незначительному ухудшению КПД двигателя.