Повышение эффективности основной камеры сгорания газотурбинного двигателя Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.7.036

Т. В. Грасько, А. П. Кирпичников, С. А. Маяцкий, В. С. Олешко, Д. П. Ткаченко

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОСНОВНОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО

ДВИГАТЕЛЯ

Ключевые слова: газотурбинный двигатель, основная камера сгорания, система автоматического управления.

В статье предлагается решение задачи повышения эффективности рабочего процесса основной камеры сгорания газотурбинного двигателя.

Key words: gas turbine engine, the main combustion chamber, automatic control system.

In this article suggested the decision of a problem of effectiveness increase of the working process of main combustion chamber of a gas turbine engine.

Введение

При проектировании основных камер сгорания (ОКС) газотурбинных двигателей (ГТД) за расчетный режим принимают параметры крейсерского режима длительной работы. В расчетных условиях в зоне горения (реакторной зоне) обеспечивается высокое качество подготовки топливовоз-душной смеси и ее оптимальный состав (коэффициент избытка воздуха в реакторной зоне аРЗ и 0,98). Благодаря этому процесс сжигания смеси полностью завершается в этой зоне и обеспечивается высокий коэффициент полноты сгорания = 0,980 - 0,996 [1].

При отклонении режимных параметров от расчетного значения происходит снижение цГ, что определяет увеличение удельного расхода топлива

СУД .

Для поддержания высокой полноты сгорания топлива в широком эксплуатационном диапазоне работы камеры сгорания ГТД необходимо включать в ее конструкцию элементы регулирования.

Актуальность исследования заключается в снижении удельного расхода топлива на режимах работы силовой установки отличных от расчетного. За объект исследования примем ОКС ГТД РД-33.

Обзор существующих работ

В работе [2] описаны два принципиально отличающихся подхода к системе автоматического управления (САУ) регулируемой камерой сгорания:

- САУ с жесткой программой управления без обратной связи по управляемой величине (температуре пламени или коэффициенту избытка воздуха в реакторной зоне). В математическую модель (ММ) программно-задающего устройства (ПЗУ) закладываются осредненные значения двигателя и камеры сгорания. При отклонении от номинального режима или при несоответствии параметров газогенератора расчетным, требования по снижению удельного расхода топлива выполняться не будут;

- САУ с гибкой программой управления и обратной связью по управляемой величине, при этом диапазон режимов с требуемым уровнем СУд

значительно шире, но недостатком рассматриваемой системы является низкая точность расчета, а также склонность к колебаниям управляемой величины.

В работе [3] авторы предлагают функциональную схему незамкнутой системы управления регулируемой камерой сгорания, но не рассматривается ММ ПЗУ, в котором происходит формирование заданного значения управляющего фактора.

Постановка задачи исследования

Учитывая вышесказанное, задачей настоящего исследования является разработка ММ ПЗУ незамкнутой системы управления регулируемой камерой сгорания.

Критерием эффективности,

характеризующим совершенство предлагаемой ММ, является снижение удельного расхода топлива на режимах работы силовой установки, отличных от расчетного.

Математическая модель программно-задающего устройства

Для поддержания высокой полноты сгорания топлива в широком эксплуатационном диапазоне работы камеры сгорания предлагается ММ ПЗУ незамкнутой САУ регулируемой камерой сгорания [4]. Целью управления является поддержание близкого к стехиометрическому коэффициенту избытка воздуха в реакторной зоне горения аРЗ, путем регулирования соотношений расходов воздуха поступающего в эту зону СВРЗ и суммарного расхода

воздуха вВЕ, для поддержания высокой полноты

сгорания топлива в широком эксплуатационном диапазоне.

В ММ ПЗУ введем коэффициент

=

Gol

Ga

, учитывающий соотношение расходов

воздуха поступающего в реакторную зону СВРЗ и суммарного расхода воздуха вВ Е .

Расход воздуха через камеру сгорания СВх и реакторную зону горения СВРЗ рассчитывается по параметрам потока на входе в камеру сгорания и

реакторную зону горения:

вврз _ т

т

ТТ7

=);

(1)

ур;

^ РМ),

где т - коэффициент, учитывающий физические свойства газа (0,0404);

ТК - температура на входе в ОКС;

рК - давление на входе в ОКС;

РРЗ - площадь реакторной зоны;

РЕ - суммарная площадь ОКС в миделевом сечении;

д (ЛК) - относительная плотность тока.

Из уравнения (1) находим площадь реакторной зоны РРЗ, потребную для обеспечения оптимального состава топливовоздушной смеси в реакторной зоне горения, получим выражение:

РРЗ

арз^ ТК6Т

тя(л)рК .

(2)

При этом расход топлива определяется по формуле [5]:

Ст = 35,1/2 (Рт ДРт)'

(3)

где / - коэффициент расхода топлива, бс - диаметр сопла форсунки; РТ - плотность топлива 775 кг/м3; ДрТ - перепад давления на форсунке.

С учетом (3 ) выражение (2) примет вид:

_ арз{35,1/62С(ртДРт)0,5)10Т

' РЗ

тд(\ )р

(4)

'к

Площадь реакторной зоны Ррз рассчитывается с помощью математической модели ГТД РД-33.

Предпочтительней с точки зрения практической реализации, является незамкнутая САУ Ррз, функциональная схема которой представлена на рис. 1 и включает в себя:

- ПЗУ Ррз;

- регулятор Ррз, в состав которого входят: измерительное устройство (ИзУ); усилительное устройство (УсУ); корректирующее устройство (КУ); исполнительное устройство (ИсУ) в виде гидропривода двустороннего действия;

- регулирующий орган (РО) в виде подвижных элементов ОКС;

- объект управления (ГТД).

Рис. 1 - Функциональная схема незамкнутой системы автоматического управления площадью реакторной зоны

Принцип построения незамкнутой САУ ОКС предусматривает выработку управляющего воздействия в виде передвижения штока тШТ гидропривода двустороннего действия управления подвижными элементами регулирующего органа, регулятором Ррз на вход которого подается разностный

сигнал текущего и задаваемого значения Ррз.

Значение Рр^ формируется в ПЗУ, ММ которого представлена на рис. 2, и включает в себя:

1. Блок исходных данных, в котором измеряются режимные параметры - давление воздуха на входе в ОКС рК и расход топлива вТ по положению рычага управления двигателем аруд. С помощью ММ ГТД РД-33 рассчитываются значения относительной плотности тока д (ЛК) и температуры

воздуха ТК на входе в ОКС. Согласно [6] определяются составы топлива СпНп, и окислителя ОпНпЫп, стехиометрический коэффициент Ц и действительный расход окислителя L на 1 кг топлива;

2. Блок параметрического расчета Ррз, в котором рассчитывается площадь реакторной зоны Ррз, расход воздуха вврз через реакторную зону и коэффициент избытка воздуха в данной зоне арз;

3. Блок термогазодинамического расчета Ррз, в котором производится расчет состава горючей смеси СГС, НГС, ОГС, МГС и продуктов сгорания

N2, СО, СО2, Н2О, Н2, О2, ОН, N0, Н, О, N НС в реакторной зоне.

Связь 7Г в камере сгорания с продуктами недожога может быть определена из выражения для баланса тепла:

СТНитЛГ _ СТНи7 - ССОНиС0 - СнсНиНс - есНиС , (5)

где , ЭСО, СНС, - соответственно массовые расходы топлива, монооксида углерода, углеводородов и углерода (сажа);

Ни , Ни , Ни

, НиС - удельная теплота, выде-

ляющаяся при сгорании данных компонентов.

Связь полноты сгорания с индексом эмиссии Е1СО и Е1НС с учетом численных значений

СО

НС

теплоты сгорания компонентов принимает вид выражения:

1 -ц = (Е!нс + Е!со) • 10-3. (6)

Выделим г)г из уравнения (6), получим:

ц = 1 - (Е1нс + 0,232Е1со) • 10-3 (7)

Рис. 2 - Математическая модель программно-задающего устройства задаваемого значения площади реакторной зоны

Если, согласно уравнению (7), значение = 0,99 при аРЗ = 0,98, то расчет завершается получением функциональной зависимости

аЕ = Г (аРЗ, ткС ) .

В случае если <0,99 при аРЗ Ф 0,98 происходит изменение параметра тКС и расчет повторяется по алгоритму рассмотренному выше.

В блоке ОКС вычисляется зависимость г)г = f (аъ), значения которой описывает расширение диапазона эффективной работы камеры сгорания.

Результаты математического моделирования

На основе математической модели ГТД РД-33 с учетом изменения параметра тКС в ОКС получим дроссельные характеристики модернизированного двигателя (рис. 3). На рис. 3 обозначены режимы работы РД-33:

- МГ - «Малый газ»;

- М - «Максимал»;

- МФ - «Минимальный форсаж»;

- ПФ - «Полный форсаж».

Рассчитывая значение удельного расхода

топлива Суд модернизированного двигателя на режимах работы от «Малого газа» до «Полного форсажа», получим его снижение на 8-10 % по отношению к базовому варианту двигателя.

Суд, кг/Нч

0,19

0.17

0 15

0.13

0,11

0,09

0,07

0,05

— Базовый - - - Модернизированный ПФ -

МГ

ПФ о

г 1 ( 1

1 1

МФ 1 1 МФ

\ V \ а* £Г> VI

М 1 1

20

40

60

80 Р,кН

Рис. 3 - Дроссельные характеристики

Вывод

1. Установлено, что для поддержания высокой полноты сгорания топлива в широком эксплуатационном диапазоне работы камеры сгорания ГТД необходимо включать в ее конструкцию элементы регулирования, позволяющие в зависимости от режима работы двигателя и условий полета летательного аппарата воздействовать на процесс смесеобразования, с целью поддержания близкого к стехио-метрическому коэффициента избытка воздуха в реакторной зоне. Для этого разработана ММ ПЗУ незамкнутой системы управления регулируемой ОКС, в котором происходит формирование заданного значения управляющего фактора.

2. В результате математического моделирования дроссельной характеристики модернизированного ГТД с учетом изменения параметра тКС в ОКС получено снижение удельного расхода топлива Суд на режимах работы от режима «Малый газ» до

режима «Полный форсаж» на 8-10 % по отношению к базовому варианту двигателя.

Литература

1. В.В. Кулагин, Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок: Основы теории ГТД. Рабочий процесс и термогазодинамический анализ. Кн.1. Совместная работа узлов выполненного двигателя и его характеристики. Машиностроение, Москва, 2002. 616 с.

2. А.М. Постников, Снижение оксидов азота в выхлопных газах ГТУ. Изд. Самарского научного центра РАН, Самара, 2002. 286 с.

3. Т.В. Грасько, С.А. Маяцкий, XXXIX Гагаринские чтения. Научные труды международной молодежной на-

учной конференции. (Гагарин Смоленской области, 912 марта 2013). Москва, 2013. Том 2, 196-198.

4. Пат. РФ 2311589 (2007).

5. А. Лефевр, Процессы в камерах сгорания ГТД: Мир, Москва, 1986. 566 с.

6. Н.Ф. Дубовкин, Справочник по углеводородным топливом и их продуктам сгорания. Энергоиздат, Ленинград, 1962. 288 с.

© Т. В. Грасько - адъюнкт каф. авиационных двигателей ВУНЦ ВВС «ВВА им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», [email protected]; А. П. Кирпичников - д.ф.-м.н., зав. каф. интеллектуальных систем и управления информационными ресурсами КНИТУ, e-mail: [email protected]; С. А. Маяцкий - к.т.н., начальник фак. летательных аппаратов ВУНЦ ВВС «ВВА им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», [email protected]; В. С. Олешко - к.т.н., проф. воен. инст. МАИ (НИУ), [email protected]; Д. П. Ткаченко - к.т.н., нач. цикла воен. инст. МАИ (НИУ), е-mail: [email protected].

© T. V. Grasko - post-graduate student of the Department of Aircraft Engines, Military Educational-Scientific Center of Air Forces «The Air Force Academy named after Professor N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin», [email protected]; A. P. Kirpichnikov - Dr. Sci, Head of the Department of Intelligent Systems & Information Systems Control, KNRTU, [email protected]; S. A. Mayatskiy - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Faculty of Aircrafts, Military Educational-Scientific Center of Air Forces «The Air Force Academy named after Professor N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin», [email protected]; V. S. Oleshko - Candidate of Technical Sciences, Professor of Military Institute, Moscow Aviation Institute (National Research University), [email protected]; D. P. Tkachenko - Candidate of Technical Sciences, Head of the Cycle of Military Institute, Moscow Aviation Institute (National Research University), [email protected].