Камеры сгорания

Министерство образования и науки РФ
Федеральное агентство по образованию
Рыбинская государственная авиационная технологическая академия
им. П.А. Соловьева
«УТВЕРЖДАЮ»
Декан ФАД РГАТА
______
_ В.А. Борисов
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
По дисциплине «Камеры сгорания»
Для специальности (направления)____140402 Теплофизика
Кафедра «Физика»________________________________________________
Форма обучения 
очная
Распределение часов
Виды учебных занятий
1. Лекции
2. Практические занятия
3. Лабораторные занятия
4. Самостоятельная работа
5. Индивидуальные занятия
6. Всего часов
Часы
28
–
–
47
2
77
Форма контроля 8 семестр – зачет
Программу составил ____________________
Ш.А._Пиралишвили
В.В. Рогалев
Рабочая программа рассмотрена на заседании кафедры физики «19» октября
2004 г., протокол №1.
Заведующий кафедрой ______________________
Рыбинск 2005
Ш.А._Пиралишвили
Министерство образования и науки РФ
Федеральное агентство по образованию
Рыбинская государственная авиационная технологическая академия
им. П.А. Соловьева
«УТВЕРЖДАЮ»
Декан ФАД РГАТА
______
_ В.А. Борисов
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
По дисциплине «Камеры сгорания»
Для специальности (направления)____140400 Техническая физика
Кафедра «Физика»________________________________________________
Форма обучения 
очная
Распределение часов
Виды учебных занятий
1. Лекции
2. Практические занятия
3. Лабораторные занятия
4. Самостоятельная работа
5. Индивидуальные занятия
6. Всего часов
Часы
28
–
–
47
2
77
Форма контроля 8 семестр – зачет
Программу составил ____________________
Ш.А._Пиралишвили
В.В. Рогалев
Рабочая программа рассмотрена на заседании кафедры физики «19» октября
2004 г., протокол №1.
Заведующий кафедрой ______________________
Рыбинск 2005
Ш.А._Пиралишвили
Введение
Программа курса составлена на основании учебного плана подготовки
специалиста (инженера теплофизика) по специальности 140402 Теплофизика
и бакалавра техники и технологии по направлению 140400 Техническая физика.
Выбор дисциплины обусловлен необходимостью уклона образовательных программ вуза в область авиационной и энергетической техники связанной с двигателестроением. Это обусловлено наличием в городе крупнейшего
в РФ предприятия по разработке и производству газотурбинных двигателей
как для транспортный средств – авиации, судостроение, так и для наземного
стационарного применения – нефтегазоперекачка, энергетическое машиностроение.
Цель преподавания дисциплины
Формирование у обучающихся логически обоснованного массива теоретических знаний и практических навыков по организации рабочего процесса и выполнения конструкций современных и перспективных камер сгорания
с учетом предъявляемых к ним требований по экологической чистоте, полноте сгорания и равномерности полей термогазодинамических параметров.
Задачи изучения дисциплины
Дать обучающимся знания в области физических основ организации
рабочего процесса камер сгорания газотурбинных установок и двигателей.
Отметить методы и способы проектирования и расчета современных и перспективных малоэмиссионных кс.
Содержание программы по курсу камеры сгорания
1. Теоретический лекционный курс
Лекция 1. Основные сведения о камерах сгорания газотурбинных двигателей. Введение. Характерные конструкции и их характеристики. Требования к кс. Типы кс.
Лекция 2. Диффузоры кс. Безотрывной (плавный) и срывные диффузоры. Первичная зона горения. Промежуточная зона. Зона разбавления. Впрыск
топлива. Форсунки.
Лекция 3. Охлаждение стенок. Методы охлаждения стенок. Конструктивные схемы кс. Короткие кс. КС с низким уровнем эмиссии. КС малоразмерных двигателей. КС промышленных газотурбинных установок.
Лекция 4. Диффузоры. Форма диффузора. Режимы течения. Критерии
эффективности. Рабочие характеристики. Зависимость характеристик от ре-
жима течений. Управление течением. Генераторы вихрей. Гибридные диффузоры.
Лекция 5. Аэродинамика кс. Соотношения между размерами кс и потерями давления. Течение в кольцевом канале. Течения через отверстия в жаровой трубе.
Лекция 6. Аэродинамика завихрителей. Типы закручивающих
устройств. Структура течения. Размеры циркуляционной зоны. Параметр
крутки. Циркуляционное течение. Эжекция газа. Потери давления.
Лекция 7. Стабилизация фронта пламени: встречными струями, плохообтекаемым телом. Распределение подачи воздуха. Неравномерность поля
температур.
Лекция 8. Полнота сгорания топлива. Процессы горения, лимитируемые скоростью реакции. «Реакторная» модель. Процессы горения, лимитируемые скоростью смешения. Процессы горения, лимитируемые скоростью испарения. Процессы горения, лимитируемые скоростью реакции и испарением.
Лекция 9. Стабилизация пламени. Механизм стабилизации пламени.
Время пребывания, степень загромождения. Отношение топливо/воздух.
Температура, давление, турбулентность. Размер стабилизатора.
Лекция 10. Модель стабилизации пламени, основанная на представлении о характерных временах. Реакторная модель. «Бедный» предел устойчивого горения. Скорость потока при срыве пламени. Гомогенные смеси. Гетерогенные смеси. Стабилизация в КС.
Лекция 11. Теплопередача и охлаждение стенок кс. Пленочное охлаждение и его расчет. Многоструйное орошение. Транспирационное охлаждение. Жаростойкие покрытия.
Лекция 12. Выбросы веществ, загрязняющих атмосферу. Несгоревшие
углеводороды. Окислы азота. Способы снижения выбросов.
2 Список литературы
основная
2.1. Лефевр А.Процессы в камерах сгорания. Текст.–Пер. с анг.– М.: Мир,
1986.– 566 с.
2.2. Пчелкин Ю.М. Камеры сгорания газотурбинных двигателей. Текст.–М.:
Машиностроение, 1984.– 280 с.
дополнительная
2.3. Кулагин В.В. Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей
и энергетических установок.–М.: Машиностроение, 2002.– 616 с.
2.4. Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок. Текст/ Под ред. Ак. В.А. Сосупова, В.М. Чепкина.– М.: изд–
во МАИ, 2003.– 688 с.
3 Методические указания по изучению дисциплины
Самостоятельная работа студентов по изучению настоящего курса
осуществляется в соответствии с рабочей программой и методическими указаниями по её выполнению. Всего на самостоятельную работу отведено 47
часов. Они должны быть посвящены изучению теоретического материала,
анализу контрольных вопросов и поиска ответа на них, решение приведенных в рабочей программе характерных задач.
Курс опивается на изученные ранее в соответствии с учебным планом
дисциплины: термодинамика, термодинамика технических устройств, МЖГ,
Газодинамика, Гидравлика, Основы физики процессов горения.
4 Список вопросов по проведению контрольного зачета
4.1. Основные сведения о кс газотурбинных двигателей. Характерные конструкции, требования, предъявляемые к кс.
4.2. Типы кс, их особенности.
4.3. Диффузоры кс. Безотрывной (плавный) и срывной диффузор.
4.4. Характерные зоны кс: первичная, промежуточная, разбавления. Их
назначение и место в рабочем процессе.
4.5. Смесеобразование. Впрыск топлива. Форсунки.
4.6. Теплообмен в кс. Охлаждение стенок. Методы охлаждения стенок.
4.7. Конструктивные схемы кс. Короткие кс. КС с низким уровнем эмиссии.
4.8. КС малоразмерных двигателей.
4.9. Камеры сгорания промышленных ГТУ.
4.10. Формы диффузора. Режимы течения. Критерии эффективности.
4.11. Рабочие характеристики диффузоров. Зависимость характеристик от
режимов течения.
4.12. Управление течением. Генераторы вихрей.
4.13. Гибридные диффузоры.
4.14. Аэродинамика кс. Соотношения между размерами кс и потерями давления в ней.
4.15. Течение в кольцевом канале кс.
4.16. Течение через отверстия в жаровой трубе.
4.17. Аэродинамика закручивающих устройств. Типы устройств закрутки потока.
4.18. Структура течения за закручивающим устройством.
4.19. Размеры зоны рециркуляции.
4.20. Параметр крутки и циркуляционное течение.
4.21. Эжекция газа. Потери давления.
4.22. Стабилизация пламени встречными струями.
4.23. Распределение подачи воздуха. Неравномерность поля температур.
4.24. Полнота сгорания топлива.
4.25. Процессы горения, лимитируемые скоростью реакции.
4.26. «Реакторная» модель.
4.27. Процессы горения, лимитируемые скоростью смешения.
4.28. Процессы горения, лимитируемые скоростью испарения.
4.29. Процессы горения, лимитируемые скоростью реакции и испарения.
4.30. Механизм стабилизации пламени.
4.31. Время пребывания, степень загромождения.
4.32. Влияние отношения топливо/воздух на стабилизацию.
4.33. Влияние температуры, давления, турбулентности и размера плохообтекаемого тела на стабилизацию.
4.34. Модель стабилизации пламени, основанная на представлении о характерных временах.
4.35. «Бедный» предел устойчивого горения.
4.36. Скорость потока при срыве пламени.
4.37. Гомогенные и гетерогенные смеси.
4.38. Стабилизации пламени в кс.
4.39. Теплопередача и охлаждение стенок кс.
4.40. Пленочное охлаждение и его расчет.
4.41. Многоструйное орошение.
4.42. Транспирационное охлаждение.
4.43. Жаростойкие покрытия.
4.44. Выбросы веществ, загрязняющих атмосферу.
4.45. Несгоревшие углеводороды.
4.46. Окислы азота.
4.47. Способы снижения выбросов.
5. Контрольные вопросы, задачи для самопроверки
5.1. Охарактеризуйте топлива авиационных ГТД и предъявляемые к ним требования. Приведите величины Hu, L0, т.
5.2. Назовите параметры режима работы камеры сгорания. Что представляет
собой коэффициент избытка воздуха и как он связан с относительным расходом топлива?
5.3. Перечислите и охарактеризуйте показатели качества работы камеры сгорания и требования, предъявляемые к ней.
5.4. Какими параметрами определяется относительный расход топлива (выведите формулу для определения qT)?
5.5. От чего зависит и чему равна максимально возможная температура газа
перед турбиной (выведите формулу для её определения)?
5.6. По каким признакам различают топливовоздушные смеси? Охарактеризуйте их. Перечислите формы и режимы горения.
5.7. Что представляет собой и чему равна нормальная скорость распространения пламени UH? От каких факторов она зависит? Сформулируйте закон
Михельсона.
5.8. Охарактеризуйте горение в турбулентном потоке. Чему равна скорость
распространения фронта пламени UH в турбулентном потоке и от каких факторов она зависит? Как её можно определить?
5.9. Перечислите задачи, которые возникают при решении проблемы сжигания топлива и подвода тепла к рабочему телу в камере сгорания. Чему равны
скорости распространения фронта пламени и движения потока воздуха на
входе в камеру Сk и как они согласовываются?
5.10. Почему возникает задача согласования заданного для камеры сгорания
и потребного в зоне горения коэффициентов избытка воздуха и как она решается?
5.11. В связи с чем возникает и как решается задача стабилизации пламени?
5.12. Почему возникает и как решается задача подготовки горючей смеси
нужного состава и газодинамической структуры?
5.13. Почему возникают и как решаются задачи снижения неравномерности
температурного поля в выходном сечении камеры сгорания и охлаждения
стенок жаровой трубы?
5.14. Изобразите принципиальную схему камеры сгорания. Кратко обоснуйте
её.
5.15. Какие схемы камер сгорания Вы знаете? Изобразите их.
5.16. Изобразите схему и опишите принцип действия центробежной форсунки.
5.17. Какие типы форсунок Вы знаете? Чем они отличаются друг от друга?
Опишите принцип их действия.
5.18. Что представляют собой зона обратных токов и зона циркуляции? Как
их получают и для чего? Изобразите их.
5.19. Что представляет собой и от чего зависит газодинамическая структура
потока горючей смеси в первичной зоне горения? Изобразите её.
5.20. Изобразите схему и опишите процесс запуска камеры сгорания.
5.21. Почему возникает необходимость формирования в жаровой трубе двух
зон горения? Какие задачи решаются путем формирования первичной зоны
горения?
5.22. Какие задачи решаются путем формирования вторичной зоны горения?
5.23. В каком месте жаровой трубы расположен фронт пламени? Изобразите
его на схеме. Как обеспечивается стабилизация пламени в условиях высокой
средней скорости потока, проходящего через камеру сгорания?
5.24. Какие задачи решаются путем смешения продуктов сгорания с «воздухом смешения»?
5.25. Для чего и как интенсифицируется рабочий процесс в камере сгорания?
Чем оценивается интенсивность внутрикамерных процессов и как? Чему
равно время пребывания пр ?
5.26. Перечислите и обоснуйте особенности форсажных камер сгорания по
сравнению с основными камерами.
5.27. Опишите особенности форсажных камер ТРДДФсм по сравнению с камерами ТРДФ и объясните их.
5.28. Какие характеристики камер сгорания вы знаете? Проанализируйте
влияние состава смеси на величину коэффициента г.
5.29. Изобразите и проанализируйте зависимости коэффициента г от давления Ðê , температуры Òê и скорости потока Ск на входе в камеру сгорания.
5.30. От каких параметров и как зависят коэффициенты восстановления давления к.с и ф.к? Чему равны эти величины?
5.31. Что представляет собой коэффициент гидр? От каких факторов и как он
зависит (выведите формулу для него)?
5.32. Что представляет собой коэффициент теп? Выведите формулы для расчета теп и изобразите результаты такого расчета.
5.33. Изобразите срывные характеристики камеры и проанализируйте их.
5.34. Изобразите, проанализируйте и обоснуйте температурное поле газа на
выходе из камеры сгорания. Каким требованиям оно должно удовлетворять?
5.35. Сформулируйте основные выводы (резюме) по теме «Камеры сгорания».
6 Контрольные задачи самопроверки
6.1. Определить расход топлива (керосина) через камеру сгорания, если известны расход воздуха через нее Gв.к.с = 50 кг/с и коэффициент избытка воздуха =2,5.
6.2. Определить часовой расход топлива (керосина) через двигатель, если известны расход воздуха через камеру сгорания Gв.к.с = 100 кг/с, тепло, подведенное в 1 кг воздуха Q1=700 кДж/кг, и полнота сгорания топлива г=0,99.
6.3. Определить относительный расход топлива (керосина) в САУ на земле
при Мп=0, если известны работа компрессора Lk=450 кДж/кг, температура газа перед турбиной ÒÃ =1500 К и полнота сгорания г=0,99. Условную теплоемкость рабочего тела в камере сгорания принять Ср.к.с=1210 Дж/(кгК).
6.4. Определить полную температуру газа перед турбиной, если полная температура воздуха за компрессором, полнота сгорания топлива, расход топлива (керосина) и воздуха через камеру сгорания равны соответственно:
Òê =750 К, г =0,99, GT = 8100 кг/ч, Gв =125 кг/с. Условную теплоемкость рабочего тела в камере сгорания принять Ср.к.с = 1210 Дж/(кгК).
6.5. Определить полную температуру газа перед турбиной, если известны
температура наружного воздуха Тн=216 К, скорость полета Vп = 3000 км/ч,
работа компрессора Lk = 500 кДж/кг, полнота сгорания топлива (керосина)
г=0,99 и коэффициент избытка воздуха =2,2. Принять Ср.к.с=1210
Дж/(кгК).
6.6. Определить скорость распространения фронта пламени, если он наклонен к оси под углом 30о, а углеводородная смесь с давлением Р=104 кПа и
температурой Т = 500К сгорает в цилиндрической трубе диаметром 300 мм.
Расход смеси 100 кг/с. Газовая постоянная Rг = 287,5 Дж/(кгК).
6.7. На сколько процентов снижается давление в цилиндрической форсажной
камере вследствие подвода тепла, если приведенная скорость на входе в камеру равна х =0,25, а степень подогрева Òô / Òõ =2? Гидравлическими потерями пренебречь.
6.8. Определить коэффициент восстановления давления в форсажной камере
ТРДФ, если приведенная скорость за турбиной т = 0,4, коэффициент гидравлического сопротивления в диффузоре д = 0,3, степень раскрытия диффузора
Fx / FТ = 1,7, а степень подогрева газа в цилиндрической части форсажной
камеры Òô / ÒÒ =2. Гидравлическими потерями в цилиндрической части форсажной камеры пренебречь.
6.9. Форсажная камера в виде цилиндрической трубы подвешена под летательный аппарат и перемещается со скоростью 2500 км/ч в САУ на высоте
Н=11 км. Определить полное давление газа на выходе из трубы, если степень
подогрева в ней Òô / Òí =5. Гидравлическими потерями пренебречь.
6.10. Определить коэффициент восстановления давления в цилиндрической
трубе (коэффициент гидравлического сопротивления =0,1) диаметром 1 м и
расход воздуха трубу перемещают со скоростью 900 км/ч на высоте 11 км в
САУ.
6.11. Определить расход воздуха через форсажную камеру, которая выполнена в виде цилиндрической трубы диаметром 1 м, подвешена под летательный аппарат и перемещается со скоростью 950 км/ч в САУ на высоте 11 км.
Степень подогрева газа в трубе Òô / ÒÒ =2. Гидравлическими потерями пренебречь.