Оценка неравномерности температурного поля газа на выходе из камеры сгорания ГТД
Журнал: Научный журнал «Студенческий форум» выпуск №16(16)
Рубрика: Технические науки
Научный журнал «Студенческий форум» выпуск №16(16)
Оценка неравномерности температурного поля газа на выходе из камеры сгорания ГТД
Камера сгорания (КС) является одним из основных узлов газотурбинного двигателя, в значительной степени определяя его экономичность, экологические характеристики и надежность.
В процессе проектирования и доводки камер сгорания ГТД важное значение приобретает вопрос обеспечения заявленного уровня окружной и радиальной температурной неравномерности поля газа. От степени совершенства температурного поля зависит ресурс турбины и двигателя в целом. Кроме того, снижение окружной неравномерности позволяет увеличить значение среднемассовой температуры газа перед турбиной и тем самым, повысить мощность и КПД двигателя. Поэтому экспериментальное исследование неравномерности температурного поля ГТД, а также его моделирование и оптимизация представляет большой научный и практический интерес.
Формирование температурного поля на выходе из камеры сгорания ГТД осуществляется в зоне смешения в которой выполняются две основные функции: понижение температуры продуктов сгорания до требуемого уровня на входе в турбину и выравнивание температурного поля в радиальном и окружном направлениях.
Для построения температурного поля газа КС ГТД существует устройство кругового замера неравномерностей радиального и окружного полей температур на стенде с контролем температуры газа в выходном сечении КС. Для снижения трудоёмкости проведения испытаний используют автоматизированную систему измерения.
Испытаниям подвергаются как модели, так и натурные КС ГТД.
Исследование температурного поля можно проводить также моделированием процессов горения топлива в КС с применением соответствующего программного обеспечения.
В качестве исходных данных используются параметры воздуха, газа и топлива в камере сгорания (таблица 1).
Таблица 1.
Параметры воздуха, газа и топлива в камере сгорания
|
№ п/п |
Наименование параметра |
Условное обозначение |
Размер- ность |
Значение |
|
1. |
Воздух на входе в диффузор КС (рисунок 1): · расход воздуха; · давление воздуха; · температура воздуха |
Gв Рк* Тк* |
кг/с кгс/см2 К |
17,0 4,5…5,0 500..800 |
|
2. |
Газ на выходе из камеры сгорания (рисунок 1): · расход газа; · давление газа; · средняя температура газа; · максимальная температура газа |
G1 Р*г Т*г ср Т*г мах |
кг/с кгс/см2 К К |
14,3 4,2…4,8 1660 1900 |
|
3. |
Топливо перед форсунками (рисунок 2): · расход топлива; · давление топлива перед коллектором первого каскада; · давление топлива перед коллектором второго каскада |
Gт Р*ф1
Р*ф2
|
кг/ч кгс/см2
кгс/см2
|
1500 20
5 |
Рисунок 1. Модель секции камеры сгорания ГТД
Рисунок 2. Схема топливной форсунки КС. 1 − первый каскад коллектора; 2 – второй каскад коллектора
Температурное поле газа на выходе из камеры сгорания определяют по результатам ее специальных испытаний с помощью устанавливаемой на выходе поворотной гребенки, по высоте которой расположены 10 термопар. В процессе испытаний гребенка поворачивается в окружном направлении, обеспечивая замер температуры.
Определяются значения неравномерности полей температуры на выходе из камеры сгорания по значениям максимальной и минимальной температуре по высоте канала.
Точность каждого измерения температурного поля, оценивается параметром Vср:
1)
где: 
– температура воздуха на выходе из компрессора высокого давления (на входе в КС); 
– средняя температура газа на выходе из КС; 
– расчетная температура газа на выходе из КС.
По ТУ значения 
должны находится в пределах: 0,96 £ £ 1,0.
Во всех поясах КС средняя радиальная неравномерность температурного поля определяется по формуле:
2)
где: 
– среднее значение радиального профиля температурного поля на j-ом поясе в испытаниях.
После проведения испытаний оценивают отклонение температурного поля на выходе из камеры сгорания от ТУ по формуле:
3)
где: 
– радиальная неравномерность температурного поля по ТУ (рисунок 3).
Если > 0, то результаты испытаний считаются удовлетворительными.
Сдаточное значение окружной неравномерности температурного поля газа по всем поясам определяется по формуле:
4)
где: 
– максимальная температура газа в j –м поясе; 
сдаточное значение окружной неравномерности.
По данным 
строится характеристика радиальной неравномерности температурного поля (рисунок 3).
Рисунок 3 Характеристика радиальной неравномерности температурного поля
Испытания камеры сгорания считаются успешными в том случае, если значения 
не переходят за границу кривой по ТУ, в противном случае требуется доводка камеры сгорания, например, путем изменения диаметра охлаждающих отверстий, геометрических размеров форсунки и др.
Данная методика оценки неравномерности температурного поля газа на выходе из КС использовалась при моделировании и оптимизации температурного поля газа двухконтурного ГТД с применением ПК ANSYS CFX.
