CC BY
204
УДК 621.432.3
ФОРМЫ, РЕЖИМЫ ТЕЧЕНИЯ И КРИТЕРИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДИФФУЗОРОВ КАМЕР СГОРАНИЯ МАЛОРАЗМЕРНЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
А.М. ЛАНСКИЙ, С.В. ЛУКАЧЕВ, С.Г. МАТВЕЕВ
Рассмотрена форма диффузоров, режимы течения и критерии эффективности применительно к камерам сгорания малоразмерных газотурбинных двигателей (ГТД). Установлено, что в прямоточных кольцевых камерах сгорания потери в диффузорах составляют 30-40 % от общих.
Ключевые слова: диффузор, камера сгорания, потери, степень раскрытия, малоразмерные ГТД.
В малоразмерных ГТД вследствие высокой частоты вращения вала и проблем, связанных с его колебаниями, расстояние между компрессором и турбиной должно быть минимальным. Это требование, а также необходимость уменьшения лобовой площади привели к повсеместному использованию противоточных кольцевых, кольцевых радиально-осевых и прямоточных камер сгорания. Поэтому почти всегда используются центробежные и осицентробежные компрессора. Их диффузоры должны не только снимать скорость воздушного потока, но так же устраняют остаточную закрутку воздуха на входе в КС. Это достигается путем использования коротких кольцевых диффузоров обычного типа с довольно большим соотношением площадей и малой скоростью на выходе.
В камерах сгорания (КС) полноразмерных ГТД для снижения скорости воздуха на входе в жаровую трубу используются следующие диффузоры (рис. 1).
а)
Рис. 1. Схемы диффузоров камер сгорания: а - безотрывный; б - с короткой безотрывной частью и регламентированным срывом потока по внутренней и наружной стенкам; в - с кольцевым конусным разделителем потока; г - с разделителем потока воздуха за компрессором и внезапным расширением
Они должны обеспечить дозированное распределение подачи воздуха по кольцевым каналам при минимальных потерях давления и нечувствительности к условиям на входе. Анализ конструктивных схем малоразмерных ГТД (рис. 2) показывает, что диффузоры для КС этого типа двигателей характеризуются целым рядом особенностей, к которым можно отнести следующие:
• отсутствует начальный участок диффузора;
• поворот части потока воздуха на 90^180 во внутренний кольцевой канал (рис. 2).
а б
Рис. 2. Схемы обтекания камер сгорания малоразмерных ГТД: а) кольцевая противоточная камера сгорания: 1 - вход воздуха; 2 - внешний корпус;
3 - жаровая труба; 4 - топливная форсунка; 5 - сопловой аппарат турбины; б) кольцевая прямоточная камера сгорания: 1 - вход воздуха; 2 - внешний корпус; 3 - внутренний кольцевой канал;
4 - наружный кольцевой канал; 5 - топливная форсунка
Поэтому очень важно для них, что принимать за диффузор. В данной работе условно принимается за диффузор участок от выходной кромки спрямляющего аппарата компрессора до миделевого сечения в кольцевых каналах камер сгорания.
Одной из основных характеристик диффузора является степень раскрытия
2Хк
пд=-
Анализ известных экспериментальных данных показывает, что в выполненных камерах сгорания степень расширения потока в диффузоре пд изменяется в диапазоне от 1,5 до 2,5 (рис. 3). Пд р,
—< ь—
// // • У/ - ——
* / / // V у//. / / // '"/■у у * \ ЩУу //_ • / : і // ~7у / / А •
0,03 0,06 0,1 0,2 0,3 0,6
г-г , кг К Ов пр~'((Зв-уТк )/Рк, с.кца
Рис. 3. Зависимость степени раскрытия диффузора от размерности камер сгорания
Для оценки эффективной работы диффузора используются следующие безразмерные величины
Л Л Л о
од=рд /рк ; ^д= РД /(рЭДк /2), где од - коэффициент восстановления полного давления; ^д - коэффициент гидравлического сопротивления.
Значения последних для различных схем камер сгорания приведены в табл. 1, 2.
Таблица 1
Значение степени расширения диффузоров в камерах сгорания
Двигатель РД-33 ТВ2-117 ТВ3-117 АИ 20 К ВД-100 МД-120
1РКК пд= р 1,72 2,42 1,99 2,0 2,0 2,38
Таблица 2
Типовые значения потерь полного давления в камерах сгорания
Коэффициент потерь полного давления Камера сгорания
Прямоточная Противоточная
Двигатель РД-33 Двигатель ТВ3-117 Двигатель МД-120 Двигатель ТВ7-117 Двигатель ГТД- 1250А Двигатель ВД-100
СТд,% 1,82 1,9 1,72 0,59 0,22 0,73
сгкс,% 5,7 5,2 6,25 3,83 2,1 3,51
^кс 1,16 1,68 1,76 4,2 1,91 2,7
Практика показывает, что при пд < 2,0 удается обеспечить стабильное протекание процессов в камерах сгорания, независимо от течения в диффузоре. Кроме того, в прямоточных кольцевых камерах сгорания потери в диффузоре составляют 30-40 % от общих потерь, противо-точных - 10-15 %. Объясняется это тем, что противоточная камера сгорания применяется с центробежным компрессором высокого давления и вынесена по схеме над турбиной. Скорости на выходе из центробежного компрессора низкие (Хк=0,1-0,2), малы и потери в диффузоре камеры сгорания. Для сравнения, на входе в прямоточную камеру сгорания приведенная скорость (Хк=0,3-0,35).
Выполненный анализ форм, режимов течения и критериев эффективности диффузоров камер сгорания малоразмерных ГТД показал, что степень раскрытия диффузора (пД) находится в тех же пределах, что и у полноразмерных КС. Уровень потерь полного давления в полноразмерных и малоразмерных КС примерно одинаков, что объясняется низкими скоростями потока воздуха на выходе из компрессора (Хк=0,1-0,2).
ЛИТЕРАТУРА
1. Рудаков О.А., Саркисов А.А., Силивон Н.Д. и др. Конструкция, теория и расчет камер сгорания газотурбинных двигателей: учеб. пособие / под общ. ред. А.А. Саркисова. - СПб.: Изд-во СПб ГТУ, 1993.
2. Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД / пер. с англ. А. Лефевр. - М.: Мир, 1986.
3. Абрашкин В.Ю. Формирование полей температуры газа на выходе из камер сгорания малоразмерных ГТД: дисс. ... канд. техн. наук. - Самара, 2006.
FORM, FLOW REGIMES AND SMALL-SIZE TURBINE ENGINES COMBUSTION CHAMBERS
DIFFUSERS EFFICIENCY CRITERIA
Lansky A.M., Lukachev S.V., Matveev S.G.
The article is devoted to research efficiency criteria of low sized (turboshafts) jet engines combustion chamber.
According to research, direct - flow ring combustion chamber of low sized jet engines, have loss 30-40% of general flow in diffusers.
Key words: diffusers, combustion chamber, loss, extent of disclosure, low sized jet engines.
Cведения об авторах
Ланский Анатолий Михайлович, 1950 г.р., окончил КуАИ им. академика С.П. Королева (1975), кандидат технических наук, доцент кафедры теплотехники и тепловых двигателей СГАУ, автор более 70 научных работ, область научных интересов - физика и моделирование процесса горения в камерах сгорания ГТД.
Лукачев Сергей Викторович, 1949 г.р., окончил КуАИ им. академика С.П. Королева (1973), доктор технических наук, профессор, заслуженный работник высшей школы, заведующий кафедрой теплотехники и тепловых двигателей СГАУ, автор более 150 научных работ, область научных интересов - физика и моделирование процесса горения в камерах сгорания ГТД.
Матвеев Сергей Геннадьевич, 1959 г.р., окончил КуАИ им. академика С.П. Королева (1982), кандидат технических наук, доцент кафедры теплотехники и тепловых двигателей СГАУ, автор более 70 научных работ, область научных интересов - физика и моделирование процесса горения в камерах сгорания ГТД.
