Этапы проектирования КС

Облик КС выбирается, как правило, на базе имеющегося прототипа с учетом традиций и накопленного опыта предприятия, его технологической и производственной базы, сроков создания. За прототип может быть выбрана ранее спроектированная КС с известными характеристиками, наиболее близко отвечающая предъявляемым требованиям. Следует отметить, что создание КС с нужными характеристиками, надежно работающей в течение заданного ресурса, требует проведения значительного объема экспериментально-доводочных работ, как на экспериментальных установках, так и в системе двигателя. Это также заставляет при проектировании новых КС стремиться в максимальной степени использования опыта создания и доводки предшествующих образцов. Здесь очень полезными могут быть достаточно простые модели, позволяющие оперативно проводить многовариантные расчеты с целью получения оптимального облика камеры сгорания.

Исходные данные для проектирования КС:

· общие требования к двигателю и его узлам;

· специальные требования к КС;

· результаты термодинамического расчета двигателя на режимах условного цикла взлетно-посадочных операций в соответствии со стандартом ИКАО;

· характеристики воздушного потока на входе в КС;

· экстремальные соотношения «топливо/воздух» на режиме приемистости и сброса газа;

· требования к величине отборов воздуха из КС;

Для определения основных размеров КС выполняется проектировочный расчет, который базируется на основных положениях теории рабочего процесса и практическом опыте, накопленном при создании камер сгорания ГТД.

Объем жаровой трубы определяется из условия обеспечения заданной полноты сгорания и максимально допустимого значения теплонапряженности жаровой трубы.

При выборе объема жаровой трубы необходи­мо учесть следующее.

Во-первых, объем жаровой трубы определяет время пребывания продуктов сгорания при высо­ких температурах в КС, что, в свою очередь, влияет на выбросы вредных веществ. Известно, что с целью уменьшения выбросов NО_Х необходимо умень­шать время пребывания продуктов сгорания при работе на максимальном режиме, т.е. уменьшать объем жаровой трубы.

Во-вторых, для обеспечения работы КС на режиме малого газа, низких выбросов СО и НС и обеспечения высотного розжига требуется уве­личение объема жаровой трубы, т.к. на этих режимах резко снижается полнота сгорания и увеличивается критерий форсирования К_v. Окончательный объем жаровой трубы определяется путем нескольких последовательных расчетов, конструкторских проработок и проведения экспериментов на модельных установках, включающих имитацию высотных режимов.

После определения потребного объема жаровой трубы и характерных ее размеров выполняется «термо-аэродинамическое проектирование», цель которого обеспечить:

· безотрывность течения воздуха в диффузоре;

· оптимальное распределение воздуха в меж­трубном пространстве или кольцевых каналах;

· обеспечения величины заданных потерь давления;

· оптимальное распределение подвода воз­духа в жаровую трубу по ее длине с точки зре­ния организации процесса горения обеспе­чивающего высокую полноту сгорания топлива, норм на выбросы вредных веществ и формирование требуемой радиальной эпюры температур газа на выходе.

Весь воздух, поступающий в жаровую трубу, можно условно разделить на отдельные характерные составляющие: на воздух во фронтовое устройство(ФУ), в зону горения, в зону смешения и на охлаждение стенок жаровой трубы.

Решение задачи по распределению воздуха между ФУ и основными отверстиями зоны горе­ния сводится к отысканию компромиссного ва­рианта, при котором обеспечиваются максималь­ная однородность ТВС, надежность запуска и устойчивость горения во всем диапазоне работы двигателя. Противоречие между этими требова­ниям заключается в том, что, с одной стороны, увеличение расхода воздуха через ФУ способст­вует лучшему смешению и образованию более однородной ТВС, с дру­гой стороны, это приводит к росту скорости потока в головной части жаровой трубы, что ухудшает условия розжига и сужает область ус­тойчивого горения. В каждом конкретном случае распределение воздуха между ФУ и основными отверстиями выбирается либо по аналогии с ближайшим прототипом, либо на основании имею­щихся литературных данных или собственного опыта проектанта и окончательно подтверждается экспериментом. Оставшийся воздух делится между системой охлаждения и зоной смешения. Достигнутый уровень моделирования внутрикамерных процессов позволяет в настоящее время более целенаправленно проводить расчет облик камеры сгорания и предсказывать ее характеристики.

Тепловые расчеты позволяют определить необходимый уровень температур стенки жаровой части для заданного временного и циклического ресурсов с учетом критериев эффективности и экономичности охлаждения при наиболее неблагоприятном сочетании внешних факторов. [4]

7.2 Использование моделей внутри камерных процессов при проектировании.

Сложность внутри камерных процессов обусловлена большим количеством разнообразных физических явлений, определяющих параметры камеры сгорания ГТД. Существенное влияние оказывает пространственная неоднородность распределения топлива, вызванная взаимодействием закручен­ных топливовоздушных потоков со струями вторичного воздуха. В настоящее время у большинства исследователей сложилось мнение, что получение точного прогноза в таких сложных явлениях возможно только при использовании сложных моделей. Модели данного класса достаточно широко представлены на современном рынке в виде универсальных и специализированных САЕ - систем, позволяющих проводить анализ сложных трехмерных газодинамических процессов с химическими реакциями. В то же время сложность указанных систем не позволяет обеспечивать опти­мизацию различных конструкций, т.е. не предназначены для решения прямой задачи проектирования - построения конструктивного облика КС.

. При создании и доводке камер сгорания важно иметь достаточно простые модели, позволяющие оперативно принимать решения по конструктивному оформлению элементов камеры сгорания и определять её выходные характеристики. В то же время существующие подходы по моделированию внутри камерных процессов, основанные на полуэмпирических критериальных зависимостях в настоящее время являются недостаточными для принятия эффективных решений. Существуют разные подходы по созданию и использованию на практике моделей различной сложности. Для рационального использования моделей в практической деятельности необходима классификация моделей камер сгорания и разделения задач, выполняемых с помощью этих моделей. В работе [1] представлена примерная классификация моделей камер сгорания,состоящая из 4-х уровней сложности. На начальном этапе проектирования камер сгорания применялись простые модели, основанные на критериях, полученных из рассмотрения камеры сгорания как «черного ящика» К ним можно отнести модели 1-го уровня сложности. Использование модели 1-го уровня сложности, позволяет приближенно прогнозировать границы срыва пламени, полноту сгорания в зависимости от объёма жаровой трубы. Этот подход позволяет оценить необходимые габариты камеры сгорания, полноту сгорания и устойчивость пламени за фронтовым устройством.

Рис.7.1.. Схема математической модели 1-го уровня сложности

В данной схеме математической модели (рис.7.1) рассматривается лишь связь между входными U и выходными Z параметрами. В качестве такой модели может быть использована, например, модель гомогенного реактора, широко применяемая при оценке выходных характеристик по известным значениям параметров на входе. Эта ниша по праву принадлежит более простым моделям, которые по общепринятой классификации относятся к моделям II и III уровня сложности. Модели II и III уровня сложности обеспечивают возможность проведения многопараметрической оптимизации с целью поиска наилучшей геометрии, распределения подвода воздуха и топлива и др(рис 2.0).

Рис 7.2.

Здесь на входе в камеру имеются следующие параметры: расход топлива- Gт, расход воздуха через фронтовое устройство- Gфр, давление и температура на входе -Рк, Тк, расход воздуха через периферийные отверстия жаровой трубы- Gi. на выходе можно определить: значения полноты и температуры продуктов сгорания, неравномерность полей температур Q и уровни вредных выбросов..Однако для получения дос­товерных данных с помощью моделей II и III уровня сложности необходимы эмпирические данные. В этом заключается, по-видимому, основной не­достаток моделей данного класса. Замена используемого эмпирического материала к более универсальным зависимостям, неизбежно приведет к значительному усложнению модели, зачастую неоправданному. Поэтому целесообразно проводить исследования по созданию упрощенных моделей камер сгорания, которые могут обеспечить более оперативное прогнозирование характеристик в зависимости от их конструктивного исполнения, распределения воздуха, а также от вида топлива и способов её подачи и распределения в пространстве жаровой трубы.