close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Расчет теплового состояния стенок камер сгорания ВРД..pdf

код для вставкиСкачать
УДК 621.452
РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ СТЕНОК КАМЕР СГОРАНИЯ ВРД
Н.С. Сенюшкин, В.Ф. Харитонов, Л.Н. Ялчибаева
В данной статье рассмотрен способ расчета теплового состояния основной и форсажной камеры сгорания воздушно-реактивного двигателя, основанный на модульном подходе и использовании базовых уравнений теплопередачи
Ключевые слова: тепловое состояние, камера сгорания, моделирование, теплообмен
Одной из основных проблем разработки камер
сгорания воздушно-реактивных двигателей является
обеспечение ресурса стенок жаровых труб. Решение
этой задачи на этапе предварительного проектирования требует создания сравнительно простых и в то
же время достаточно точных математических моделей теплообмена между рабочим телом и элементами конструкции, служащих основой для формирования алгоритмов расчета теплового состояния стенок камеры сгорания.
Основной задачей такого расчета является определение температур стенок жаровой трубы и корпуса в поперечных сечениях камеры по ее длине.
Для этой цели используются уравнения теплового баланса, описывающие теплообмен между горячими газами, стенками жаровой трубы, вторичным воздухом, корпусом камеры сгорания и внешним потоком воздуха, обтекающим корпус снаружи
(поток наружного контура ТРДД, поток в мотогондоле или набегающий поток окружающей атмосферы). Этот процесс определяет тепловое состояние
стенок, и, соответственно, надёжность работы конструкции камеры сгорания.
Для стационарного теплового режима, при отсутствии перетекания тепла вдоль стенки и в окружном направлении (при достаточно малой толщине) суммарный тепловой поток к стенкам жаровой трубы изнутри ( qΣã ) равен тепловому потоку,
прошедшему через стенку жаровой трубы, и равен
суммарному тепловому потоку от трубы наружу
( qΣв ):
q Σ г = q w = qΣ в
(1)
λ
В этом уравнении: - qw = w ( Twг − Т wв )
hw
кондуктивный тепловой поток через стенку жаровой
трубы,
qΣ г = q лг + qкг ;
q Σ в = q лw + q кв ,
где q лг , q лw , qкг , q кв - соответственно, лучистые и конвективные тепловые потоки;
λw – коэффициент теплопроводности.
Конвективные потоки:
- от газа в пристеночном слое к стенке жаровой трубы
q кг = α г ⋅
Рис.1
Рассмотрим схему конвективного охлаждения
стенок (рис. 1) [4]. Жаровая труба нагревается изнутри излучением от горячих газов в её полости и
конвекцией от пристеночного слоя газа и охлаждается посредством излучения её стенок на внешний
корпус и конвекции от жаровой трубы к воздуху,
протекающему в кольцевом канале.
Корпус нагревается излучением от жаровой
трубы и конвекцией от воздуха в кольцевом канале
и охлаждается конвекцией и излучением во внешний поток.
АААААААААААААААААААААААААААААА
Сенюшкин Николай Сергеевич – УГАТУ, канд. техн. наук, e-mail: aviastar-ufa@mail.ru.
Харитонов Валерий Федорович – УГАТУ, канд. техн.
наук, доцент, e-mail: vkhariton@yandex.ru.
Ялчибаева Лиля Наильевна – УГАТУ, студент,
тел. 8(347)2737954
(2)
(
*
Tг − Tw г
),
- от стенки жаровой трубы к воздуху в
кольцевом канале
q кв = α в ⋅
(
*
T w в − Tв
).
Коэффициенты теплоотдачи α ã , α â определяются по зависимостям вида
α
= сα ⋅ Re
− 0 ,2
⋅ Pr
− 0 ,57
(
⋅ cp ⋅ ρ ⋅ u
)
;
где Pr – число Прандтля, ñα – константы, определяемые в результате обобщения экспериментальных
данных, c p – теплоемкость, Re - число Рейнольдса:
Re =
В этой формуле:
( ρu ) l
µ
.
( ρ u ) – массовая скорость;
µ–
коэффициент динамической вязкости; l – характерный размер (длина секции системы охлаждения lс
73
при определении Re по газу, высота кольцевого канала h при определении Re по воздуху).
Лучистый поток от факела пламени к стенке
жаровой трубы [7]
(
)
(
*1,5
*2 ,5
2 ,5
q лг = 0 , 5 ⋅ 1 + ε w⋅ ⋅ σ 0 ⋅ ε г ⋅ Tг
⋅ Tг
− Twг
где σ 0 = 5, 67 ⋅ 10
−8
Вт
(
)
)
секции, Fs – площадь щели высотой hs, должно быть
более 0,82 для формирования устойчивой охлаждающей завесы. При N менее 0,57 завеса разрушается.
2
4
м ⋅ К – постоянная
Стефана-Больцмана; ε w – степень черноты стенки
жаровой трубы; ε ã – степень черноты продуктов
сгорания.
Лучистый тепловой поток от стенки жаровой
трубы к корпусу
(
)
4
4
q лw = σ 0 ⋅ ε пр ⋅ Twв − Tкв ,
где ε пр – приведенная степень черноты:
ε пр =
(
Dк
)
.
Dw ⋅ 1 ε к + 1 ε w − 1
В этой формуле Dw, Dк – диаметры, соответственно,
жаровой трубы и корпуса; ε к – степень черноты
корпуса.
Значение ε г рассчитывается по аппроксима-
(
)
*
ции вида ε г = ϕ Dж , p г ,Tг ,Tw .
Уравнения, аналогичные (1) и (2), можно записать и для корпуса:
qΣ в = q wк = qΣ вн ;
qΣ в = q лw + q кк ;
qΣ вн = q лвн + q квн .
Тепловой расчет проводят после выполнения
гидравлического расчета, последовательно по сечениям жаровой трубы, начиная от фронтового устройства. Для определения температуры стенки жаровой трубы Tw в каком-либо сечении, в уравнение
теплового баланса подставляют геометрические параметры этого сечения, а также параметры газа и
воздуха, определенные в результате гидравлического расчета.
Расчет теплового состояния стенок основной
камеры сгорания рассмотрим на примере секции с
послойным охлаждением, широко применяемой в
современных камерах (рис.2).
В этой схеме реализуется принцип комбинированного охлаждения: конвективного - с наружной
стороны секции, обращенной к кольцевому каналу,
и пленочно-заградительного - со стороны газового
потока. В работе [3] показано, что значение безразмерного комплекса, составленного из основных
геометрических параметров секции послойного охF h
лаждения N = о s , где Fо – площадь отверстий в
Fs t
74
Рис.2
Математическая модель для случая послойного
конвективно-пленочного охлаждения секций жаровой трубы (рис. 2) и состоит из четырех нелинейных
алгебраических уравнений теплового баланса:
α f ( Т*f - Twг ) + q лг = αв (Т wв - Tв* ) + q лw ;
λ
αв ( Twв - Tв* ) + q лw = w (Twг - Т wв );
hw
(3)
4 + α (T
*
αв ( Tв* - Tкв ) + q лw = σк Tквн
вн квн - Tвн );
λ
αв ( Tв* - Tкв ) + q лw = wк (Tкв - Т квн );
hwк
где искомые величины Twг, Тwв, Tкв, Tквн – температуры стенки жаровой трубы с горячей и холодной
стороны, температуры стенки корпуса со стороны
кольцевого канала и с внешней стороны, соответственно; Tf*, Тв*, Тг* - температуры пристеночного слоя
газа (защитной пленки), воздуха в кольцевом канале, продуктов сгорания; σк = σo εк ; αf, αв, αвн –
коэффициенты теплоотдачи от стенки жаровой трубы в защитную пленку и охлаждающий воздух в
кольцевом канале, от стенки корпуса во внешний
поток; λw, hw, λwк, hwк - коэффициент теплопроводности и толщина стенок жаровой трубы и корпуса.
Расчет теплового состояния ведется с учетом
подогрева воздуха между стенками. Теплообмен
между секциями охлаждения не учитывается. Система уравнений 4-й степени решается методом Ньютона.
Температура пристеночного слоя определяется
из соотношения
* *
*
*
T f =Tг - η(Tг - Tв ) ,
где η - эффективность охлаждения, рассчитываемая исходя из модели пристеночной струи
в зависимости от отношения вязкостей и массовых
скоростей струи и газового потока, геометрических
параметров секции послойного охлаждения [2], [6].
При расчете теплового состояния стенок используются аппроксимации для теплофизических
параметров воздуха и продуктов сгорания в зависимости от температуры T и местного значения коэффициента избытка воздуха α [6].
Рассмотренный метод расчета реализован в
компьютерной системе газодинамического и теплового моделирования камер сгорания ВРД “Камера4.00” [5]. В этой системе выполнен расчет основной
камеры сгорания ТРДДФ кольцевого типа.
Рис.5. Распределение относительных температур наружной и внутренней стенок основной камеры сгорания
ТРДДФ по длине газосборника
Рис.3. Схема размещения расчетных сечений для основной камеры сгорания ТРДДФ
а
Проточная часть камеры сгорания была разбита на 20 расчетных участков (рис.3). Расчетная схема приведена на рис.4.
Выбранный режим расчета обеспечивал подбор распределения расхода в разделители между
наружным и внутренним кольцевыми каналами, и
фронтовым устройством для полного перехода воздуха из кольцевого канала в жаровую трубу к последнему расчетному сечению камеры сгорания.
б
Рис.6. Схемы теплозащитных экранов:
а – секционный, б – перфорированный
Рис.4. Расчетная схема основной камеры сгорания ТРДДФ
Результаты расчета температуры стенок жаровой трубы и корпуса в сравнении с экспериментальными данными представлены на рис. 5.
Тепловое состояние стенок форсажной камеры
определялось с использованием системы уравнений
(3).
Рассматривалось два варианта теплозащитных
экранов форсажной камеры – секционный (щелевой)
и перфорированный (рис.6).
Для секционного экрана температура газа в
пристеночном слое определяется из уравнения теплового баланса, предложенного Ильичевым [1], и с
использованием зависимости для относительной
избыточной температуры с учетом заградительной
пленки, вдуваемой через щель.
Сначала определяется температура газа в пристеночном слое без учета заградительного охлаждения Ò' в зависимости от местного коэффициента
( δ)
избытка воздуха и местного коэффициента полноты
сгорания топлива.
Затем рассчитывалась температура газа в пристеночном слое Òδ с учетом заградительного охлаждения:
Тδ = θ Тδ' − Т в* + Т в* ,
(
)
где θ − относительная избыточная температура.
75
Величина θ определяется из аппроксимирующего полинома:
6
i
θ = ∑ ai M ,
i =0
G T D
M = охл в ж ,
Gг Т г 4lc
где Тв, Тг – статические температуры воздуха и
газа,
Gохл – расход охлаждающего воздуха через
щель секционного экрана,
ai – постоянные коэффициенты.
Параметры конвективного теплообмена на
перфорированном экране рассчитывались на основании полуэмпирических зависимостей, изложенных в [4]. Учитывался прогрев воздуха при прохождении его через отверстия перфорации с помощью
параметра




∆Т в
7, 04 ⋅ hw
χ=
= 1 − exp  −
,
2
Т w − Тв

0,5 
3
 dотв ⋅ Prв ⋅ Reотв 
где dотв − диаметр отверстий перфорации;
Reотв =
( ρ u )w ⋅ hw
fотв ⋅ µв
,
( ρu )w – массовая скорость в отверстиях
перфорации,
fотв – площадь отверстий перфорации.
Тестовая задача по тепловому расчету форсажной камеры ТРДДФ была решена в системе газодинамического и теплового анализа форсажных камер
“Afterburner”. Расчетная схема и некоторые результаты показаны на рис.7 и рис.8.
Анализ результатов расчетов теплового состояния как основной, так и форсажной камер ВРД
показывает адекватность используемых математических моделей. Расхождение расчетных и экспериментальных данных составляет в среднем 5…7%.
Работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ, в рамках ФЦП «"Научные и научнопедагогические кадры инновационной России" на
2009 - 2013 годы».
Рис. 8. Распределение относительных температур корпуса
и экранов по длине форсажной камеры
Литература
1. Теория, расчет и проектирование авиаци-
онных двигателей и энергетических установок /
Учебник под ред. Сосунова В. А./ - М.: Изд-во
МАИ, 2003. – 690 с.
2. Лефевр, А. Процессы в камерах сгорания
газотурбинных двигателей. – М.: Мир, 1986. – 566с.
3. Кудрявцев, В. А. и др. Расчет элементов системы охлаждения камеры сгорания на основе решения сопряженной задачи гидродинамики и тепломассообмена / Тезисы доклада на международной
научной конференции “Двигатели ХХI века”,
ЦИАМ, 5-7 декабря 2000 г. – М.: изд-во ЦИАМ,
2000, ч.1, с.165–166.
4. Жестков, Б. А. Основы теории и расчет теплового состояния стенок камер сгорания реактивных двигателей. – Уфа: УАИ, 1980. – 94 с.
5. Сенюшкин Н.С., Харитонов В.Ф. Применение модульного метода при моделировании и проектировании камер сгорания воздушно-реактивных
двигателей. – Вестник УГАТУ. – 2008, т.11, №2(29),
с.39-47.
6. Харитонов В.Ф. Проектирование камер
сгорания / Учебное пособие – Уфа, изд. УГАТУ,
2008, 136с.
7. Лукаш В.П., Попов В.Л., Рекин А.Д. Расчетно-экспериментальное исследование теплового и
напряженного состояния стенок жаровых труб с
точеными секциями // В сб. : Тепловое и напряженное состояние стенок жаровых труб камер сгорания
ГТД. Вып.2. – М.: изд-во ЦИАМ. 1992, с. 19-27. –
(Труды ЦИАМ, вып. 1295).
Рис.7. Расчетная модель форсажной камеры
Уфимский государственный авиационный технический университет
THERMAL STATE CALCULATION FOR A COMBUSTION CHAMBER OF AN AIRBREATHING ENGINE.
N.S. Senyushkin, V.F. Kharitonov, L.N. Yalchibaeva
The article observes a way of thermal state calculation for an air-breathing engine and its afterburner. The
way of calculation is based upon module approach and usage of standard heat-transfer equations
Key words: thermal state, combustion chamber, modelling, heat-transfer
76
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
33
Размер файла
739 Кб
Теги
сгорания, камеры, врд, состояние, pdf, расчет, теплового, стеной
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа