Применение градиентного поля температур в исследовании камеры сгорания авиационного газотурбинного двигателя

Авиационный двигатель – тепловая машина, предназначенная для преобразования энергии сгорания топлива в кинетическую энергию газовой струи и/или механическую работу выводного вала. Авиационный газотурбинный двигатель (ГТД) состоит из следующих основных элементов (рис. 1): входного устройства, компрессора, камеры сгорания, газовой турбины, форсажной камеры сгорания (если она есть) и выходного устройства.

Рис. 1. Основные элементы (узлы) ГТД

Камера сгорания ГТД предназначена для подвода теплоты к рабочему телу в двигателе за счет преобразования химической энергии топлива в тепловую при его сгорании с участием кислорода, содержащегося в воздухе. Она содержит корпус, жаровую трубу, имеющую внешнюю и внутреннюю стенки и плиту кольцевой формы с установленными на ней форсуночными модулями и основной топливный коллектор, соединенный с плитой, полость которого соединена топливными каналами с форсуночными модулями, внешний и внутренний корпусы.

Рис. 2. Принцип работы ГТД

На рисунке 2 показан принцип работы газотурбинного двигателя (ГТД):

1. Воздух из атмосферы попадает во входное устройство, где немного сжимается и поступает в компрессор. В компрессоре давление воздуха растёт ещё сильнее, растёт и температура.
2. После компрессора воздух поступает в камеру сгорания и, смешиваясь там с топливом, воспламеняется, что приводит к сильному возрастанию температуры, при постоянном давлении.
3. После камеры сгорания горячий сжатый газ попадает в турбину. Часть энергии газа расходуется на вращение компрессора турбиной, другая часть энергии расходуется на движение самолёта.

Камера сгорания - один из важнейших элементов ГТД, от совершенства которого в значительной мере зависят надежность двигателя и его экономичность. Соответственно к камерам сгорания предъявляются нижеследующие основные требования:

1. Высокая полнота сгорания топлива. Потери теплоты в процессе горения связаны, в основном, с неполным сгоранием. Теплоотдача через стенки камеры сгорания во внешнюю по отношению к двигателю среду обычно пренебрежимо мала.
2. Возможно, малые потери полного давления. Снижение полного давления потока, проходящего через камеру, из-за наличия гидравлических и других потерь отрицательно сказывается как на тяге, так и на экономичности двигателя.
3. Минимально возможные габариты при данном количестве выделяемой при сгорании топлива теплоты.
4. Устойчивый процесс горения в широком диапазоне режимов работы и условий полета. Иначе возможно самовыключение двигателя из-за «срыва» пламени.
5. Обеспечение необходимого и стабильного поля температур на входе в турбину. Нестабильность и окружная неравномерность температурного поля отрицательно сказываются на тепловом режиме сопловых и рабочих лопаток турбины и, следовательно, на их надежности и ресурсе.
6. Низкий уровень выброса твердых частиц (сажи) и вредных (токсичных) веществ в продуктах сгорания. «Дымление» двигателей приводит к загрязнению атмосферы, к нарушению нормального теплового режима деталей газового тракта (при отложении сажи на их поверхности) и т. д.
7. Надежный запуск («розжиг») на земле и в воздухе. Камеры сгорания ГТД должны обеспечивать надежное воспламенение топлива в них на высотах по крайней мере до 6…10 км.

Интересует только 5 пункт из вышеперечисленного. Применяя градиентное поле температур, можно получить заданные эпюры распределения температуры в выходном сечении камеры при минимальной неравномерности этой температуры в окружном направлении (при большой степени неравномерности может сгореть сопловой аппарат). Чтобы применить градиент температур для исследования работы камеры сгорания, надо понять, что такое градиент и все связанное с ним.

Температура – скалярная физическая величина, характеризующая термодинамическую систему и количественно выражающая степень нагрева тел. Температура напрямую связана с интенсивностью теплового движения частиц. Чем более интенсивно это движение, тем выше температура тела.

Градиент – это вектор, указывающий направление наибольшего возрастания некоторой величины, значение которой меняется от одной точки пространства к другой. Градиентное поле – это потенциальное (или безвихревое) векторное поле в математике, которое можно представить как градиент некоторой скалярной функции координат (потенциала). Скалярная функция – это функция, ставящая в соответствие каждой точке из некоторой области пространства скаляр, то есть действительное или комплексное число. При фиксированном базисе пространства скалярное поле можно представить как функцию нескольких переменных, являющихся координатами точки.

Так как жаровая труба наиболее подвержена к воздействию высоких температур, следовательно, за фиксированный базис пространства возьмем каждую точку в объеме трубы. Скалярной функцией будет являться температура в каждой точке объема жаровой трубы камеры сгорания. Температурное поле – это совокупность значений температур во всех точках рассматриваемого тела или части пространства в данный момент времени.

Градиент температуры – это физическая величина, которая описывает, в каком направлении и с какой скоростью температура меняется наиболее быстро в определенном месте. Температурный градиент – это размерная величина, выраженная в единицах градусов (по определенной шкале температур) на единицу длины (рис. 3).

Рис. 3. Изотермы и векторы градиентов температур

Градиент температуры численно равен производной температуры по нормали. Он имеет положительный знак при возрастании температуры и отрицательный – при её падении. Градиент температуры используется, например, в температурном поле. Совокупность значений температуры во всех точках изучаемого пространства. Следовательно, регулируя форсунками камеры сгорания, можно регулировать расходом топлива, количество которого (размеры распыленной капли жидкого топлива) напрямую даёт зависимость от поля температур на входе в газовую турбину. При неравномерном испарении капель жидкого топлива в зоне горения камеры сгорания может привести к негативным тепловым воздействиям на лопатки турбины и соплового аппарата. Благодаря изменению градиента температур можно наблюдать и контролировать за тем, как изменяется температура и на сколько, тем самым предотвращая чрезмерные тепловые нагрузки на последующие элементы авиационного газотурбинного двигателя.