Цикл сгорания в газотурбинных двигателях (цикл Брайтона) аналогичен циклу в четырехтактных двигателях внутреннего сгорания (см. рис. 1.26), за исключением того, что сгорание является непрерывным, а не периодическим и происходит при постоянном давлении, а не при постоянном объеме. И тот и другой циклы содержат четыре фазы: впуск, сжатие, сгорание и выхлоп. В поршневом двигателе эти четыре фазы выполняются последовательно в том же цилиндре, а в газотурбинном двигателе они протекают одновременно в различных частях двигателя, а именно в компрессоре (с системой впуска), камере сгорания, турбине (с расширением) и выхлопной системе. Стационарное вращательное движение в газовых турбинах обусловило их использование в стационарных и передвижных силовых установках. Особенно широкое применение они получили в авиации в виде турбореактивных (чисто реактивных), турбовинтовых (большая часть работы совершается винтом) и турбовентиляторных (часть работы передается на вентилятор, установленный во «вторичном» контуре) двигателей [135].
Основные элементы цилиндрической камеры сгорания показаны на рис. 1.28 [117, 135]. Хотя ее конструкция представляется довольно простой, конструирование и доводка камеры сгорания ведутся порой наудачу. Подробное описание ее работы очень сложное, а современные представления о внутренней аэродинамике весьма неполные. Три основных режима течения в камере сгорания показаны на рис. 1.29. Заметим, что, хотя последние две фигуры относятся к камерам сгорания кругового сечения, их можно рассматривать и как элементы кольцевой камеры сгорания.
Рис. 1.28. Типичная осесимметричная трубчатая камера сгорания газотурбинного двигателя:
а — схема; б — распределение потоков воздуха; в — стабилизация пламени и общая структура течения [135].
Рис 1.29. Схема течения в камере сгорания газотурбинного двигателя [81].
Они могут также непосредственно представлять жаровые трубы трубчато-кольцевой системы. Такие системы находят применение в двигателях с высокой интенсивностью сгорания, в которых камера сгорания должна обеспечивать полное сгорание топлива при низком уровне потерь давления, создавать газовый поток с почти постоянной температурой, занимать малый объем и обеспечивать устойчивое горение в широком диапазоне рабочих условий (таких, как уровень давления и отношение воздух/топливо).
Камера сгорания должна обеспечивать решение сложной задачи: сгорание больших количеств топлива, подаваемого в виде мелко распыленной аэрозоли из специально сконструированных форсунок, в большом объеме воздуха, протекающего через расположенный вверх по потоку кольцевой завихритель (пакетлопаток с углом установки обычно около 70°). Эта задача должна выполняться с соблюдением следующих условий:
- Высокая эффективность сгорания *.
- Устойчивая работа *.
- Малые потери давления.
- Хорошее поле температур в поперечном сечении *.
- Легкое воспламенение *.
- Низкая эмиссия загрязняющих веществ *.
- Долговечность.
- Приемлемо малый размер *.
При проектировании приходится искать компромиссное решение с учетом этих критериев. Область сильно закрученного вихревого течения в первичной зоне помогает удовлетворить тем требованиям, которые отмечены звездочкой, главным образом за счет увеличения потерь давления. Это сложная задача аэро- термохимии. В настоящее время конструкторы полагаются в основном на продолжительные и дорогостоящие эксперименты на полномасштабных и уменьшенных моделях [13].
Обычно около 18 % всего воздуха проходит через закручивающие лопатки, установленные под углом примерно 70° относительно основного направления потока. Это приводит к возникновению сильных «центробежных» эффектов во входной части камеры сгорания и к появлению в первичной зоне областей с очень низким давлением, что приводит к образованию центральной тороидальной зоны обратных токов. В центральной части втулки закручивающего устройства расположена форсунка распыления топлива, и в центральной зоне обратных токов образуется конический закрученный факел мелких капель керосина, что обеспечивает высоко интенсивное сгорание. Стабилизация достигается рециркуляцией горячих и химически активных продуктов частичного сгорания и подачей дополнительного воздуха в первичную зону через отверстия бокового вдува. Конструктор должен знать, как на выполнение множества требований влияют давление и температура воздуха на входе, положение и размер других отверстий и щелей пленочного охлаждения, интенсивность закрутки, форма границ, угол распыления топлива и его свойства и многие другие параметры. Обзор последних достижений в этих вопросах содержится в работах [136—142]. Используемый при конструировании систем сгорания современных газотурбинных двигателей теоретический аппарат состоит обычно из эмпирических или полу- эмпирических моделей, в которых общие характеристики связываются с глобальными параметрами, такими, как объем камеры сгорания, температура и давление воздуха на входе, массовый расход и отношение воздух/топливо. Требование достижения повышенных параметров двигателя привело к идеологии конструирования двигателей, требующей работы системы при повышенных давлениях, более высоких температурах газа на выходе, более высокой стабильности распределения температуры на выходе. Однако имеющиеся в настоящее время теоретические и эмпирические методы конструирования камер сгорания в ряде случаев становятся неприемлемыми при необходимости экстраполяции имеющегося опыта на условия работы камеры сгорания с малой эмиссией загрязняющих веществ и малым потреблением топлива.
Действительно, лишь в последнее время были предприняты серьезные попытки связать характеристики камер сгорания с результатами теории горения, как видно из обзорных работ [143—149]. Были сделаны оценка различных корреляций (с учетом испарения капель, теории гомогенного реактора, многоступенчатой кинетики и механизмов турбулентного распространения пламени) и попытка определения таких условий, при которых характеристики могут быть ограничены либо испарением капель, либо скоростью химической реакции, либо смешением. При конструировании новых камер сгорания для нефти или производимых из псе жидких топлив, а также при оценке характеристик существующих камер сгорания используются в основном удобные уравнения реакций (с ограничениями по смешению или без них) не столько в силу их точности, сколько потому, что более сложные системы не дают большей точности. Большинство исследователей проводят подобным образом расчет образования НС и СО, а расчет образования NO, (когда главными влияющими факторами являются температура и в некоторой степени время пребывания) — с использованием соответствующих корреляционных зависимостей [150] Существует некоторая неопределенность в выборе числа реакций и наиболее представительных ее этапов, которые необходимо включать в модели реактора, и рассматриваются различные возможные варианты (147). Что касается уровней физической сложности, применимости и ограничений 0-, 1 , 2- и 3-мерных моделей, то их следует рассматривать с точки зрения следующих шести различных уровней конструирования (доводки) [144]:
- первоначальный выбор размеров;
- исходные испытания;
- моделирование первичной зоны;
- моделирование вторичной зоны;
- моделирование зоны разбавления;
- изменения вследствие изменения условий окружающей среды.
Оптимальным является, вероятно, следующий путь: использование нуль-мерных (алгебраических) моделей на этапах 1,2 и 6, а также двумерной осесимметричной модели на этапе 3 и трехмерной неосесимметричной модели на этапах 4 и 5. Конечно, рассмотрение модулей с закруткой в случае кольцевой камеры сгорания также приводит к необходимости использования полностью трехмерной неосесимметричной модели на этапе 3.
При всей полезности использования последних достижений моделирования и методов решения следует помнить, что современная доводка двигателя опирается в значительной степени на опыт и эксперимент [151, 152]. Повысившееся внимание к выполнению требований стандартов по загрязнению окружающей среды и к эффективности двигателей приводит к появлению многих новых идей моделирования. Используются модульный подход и другие методы [143], включая методы Хаммонда и Меллора [153] и Свитенбенка и др. [154]. Обзор существующих моделей сгорания аэрозолей содержится, например, в работе [145], и делается вывод, что (в ожидании дальнейшего развития методов расчета трехмерных турбулентных реагирующих потоков) полезные зависимости для эмиссии газотурбинных двигателей можно получить при использовании модульного подхода; предложен и конкретный метод [155].
От других модульных и конечноразностных моделей, исследованных к настоящему времени, следует ожидать предсказания только качественных тенденций эмиссии. Как указывается в литературе, наиболее важной причиной для этого является невозможность моделирования и учета взаимодействия турбулентности, химических реакций и движения аэрозоли с требуемой точностью. Существует точка зрения, что необходимо уделять внимание экспериментам, направленным на выяснение этих взаимодействий (а не в сложных газотурбинных камерах сгорания), для развитии моделей и их проверки. В качестве временной меры можно рекомендовать подход работы [155).
Хотя развитие обшей теории может привести в перспективе к некоторым усовершенствованиям, конструкторы вынуждены решать стоящие перед ними текущие задачи, и они понимают, что полученные на основе оценок рекомендации придется оптимизировать с использованием длительных экспериментальных испытаний. С этой точки зрения имеются практические рекомендации [148] по методам снижения эмиссии загрязняющих веществ за счет малых модификаций (бедная или богатая смесь в первичной зоне, увеличение или уменьшение времени пребывания, снижение расхода воздуха на пленочное охлаждение, использование распылителя со вдувом воздуха, впрыск воды, введение добавок в топливо, распределение подачи топлива в окружном, радиальном и осевом направлениях) и больших изменений (подача воздуха от компрессора, рециркуляция выхлопных газов, изменяемая геометрия, поэтапное сгорание и системы предварительного смешения или предварительного испарения). Для каждого возможного варианта указаны преимущества, недостатки и побочные эффекты. Улучшение подготовки топлива и увеличение подачи воздуха в области образования сажи в пламени уже позволили значительно снизить уровни эмиссии дыма на полной мощности. Эмиссия газообразных загрязняющих веществ может быть снижена за счет модификации формы жаровой трубы и системы впрыска топлива, подкрепленной, где это возможно, вдувом воздуха от компрессора при малой мощности и впрыском воды при больших мощностях. Что касается загрязнения оксидами, то представляется необходимым вносить изменения в конструкцию основной камеры сгорания с использованием принципиально новых концепций, особенно для производных топлив, имеющих высокое отношение С/Н и большое содержание ароматических компонент. Наиболее обещающим подходом представляется создание камер сгорания изменяемой геометрии и каскадных с системами предварительного смешения или предварительного испарения, в которых топливо испаряется и тщательно смешивается с воздухом, необходимым для сгорания, в предкамере выше по потоку от зоны горения. Это интересная задача для численного моделирования, поскольку при простом моделировании такой системы подобные эффекты не учитываются. Дальнейшее развитие этих идей содержится в гл. 6, где приведены также примеры использования экспериментальных и теоретических подходов и результаты, полученные на их основе.
