Испытания основных камер сгорания

Целью испытаний отсеков является получение требуемых характеристик камеры сгорания по полноте сгорания топлива и содержанию загрязняющих веществ в выхлопных газах, удовлетворительных срывных и пусковых характеристик, допустимых значений потерь - полного давления и температуры элементов камеры сгорания. На отсеке могут быть получены предварительные данные о форме радиальной эпюры и окружной неравномерности температур в выходном сечении камеры.

Схема стенда для испытаний отсеков камер сгорания представлена на рис. 8.7. Воздух от компрессорной станции подается по трубопроводу 1 в ресивер 2, а затем к диффузору камеры 3. В выхлопной магистрали за камерой сгорания 3 устанавливается охлаждаемый водой дроссель 5, который имитирует сопловой аппарат турбины и необходим для поддержания заданного режима по расходу и давлению газа в камере. После дросселя 5 газ поступает в выхлопную шахту. Стенды для испытаний отсеков могут оснащаться специальным оборудованием (подогреватели или охладители воздуха, эжекторы и др.), предназначенным для обеспечения испытаний при повышенных и пониженных значениях р*_к и Т*_к.

На рис. 8.8 дана схема систем такого стенда. Экспериментальный отсек 6 помещается в барокамеру 7. Воздух к стенду поступает от компрессорной станции и перед подачей к отсеку может подогреваться в теплообменнике 1 или после прохождения через осушители 2 охлаждаться в турбохолодильном агрегате 3. Для создания пониженных давлений газа в отсеке предназначен эжектор 9. Стенд снабжен также системой охлаждения топлива сжиженным углекислым газом.

При исследованиях измеряются расходы воздуха и топлива, давление и температура воздуха на входе, статическое давление и поле температур и полных давлений в выходном сечении, температуры стенок жаровых труб. Отбираются пробы газа в выходном сечении для определения коэффициента полноты

Рис. 8.7. Схема установки для испытаний отсеков камер сгорания:

1 - подводящий воздухопровод; 2 - ресивер; 3 - испытуемый отсек;
4 - мерный участок; 5 - выходной дроссель

сгорания топлива и содержания загрязняющих веществ (методики отбора и химического анализа см. в гл. 7).

В отдельных случаях могут измеряться значения полного и статического давлений в кольцевых каналах и статических давлений в жаровой трубе в различных сечениях по длине камеры сгорания, значения лучистых потоков тепла от газов и другие параметры, необходимые для более глубокого изучения рабочего процесса.

По результатам измерений рассчитываются коэффициенты восстановления полного давления s_к.с.=р*_г/р*_к, гидравлических потерь , полноты сгорания топлива , избытка воздуха a=G_в/L₀G_т. Здесь L₀- стехиометрический коэффициент.

Значения i*_г могут определяться или по измеренным полям температур, или по данным химического анализа продуктов сгорания.

Рис. 8.8. Схема систем стенда для испытаний камер сгорания при различных значениях р*_к и Т*_к:

1 - газовый подогреватель с теплообменником; 2 - осушители; 3 - турбохолодильный агрегат; 4 - расходомер; 5 - перепускная заслонка; 6 - объект испытаний; 7 - термобарокамера: 8 - выходной дроссель; 9 - эжектор; 10 - топливный радиатор

На отсеках определяются также срывные и пусковые характеристики камер сгорания - изменение значений коэффициента избытка воздуха, при которых происходит срыв горения или прекращается устойчивое воспламенение смеси в камере в зависимости от скорости воздуха на входе.

Испытания проводятся при значениях режимных параметров. соответствующих различным условиям эксплуатации. Так, доводка камеры сгорания по полноте сгорания топлива и по выбросам окиси углерода СО и несгоревших углеводородов С_хН_у осуществляется, как правило, при значениях р*_к и Т*_к, соответствующих режиму малого газа (р*_к=3…5^.10⁵ Па, Т*_к=450...600 К), по выбросам NO_х - при повышенных значениях Т*_к (до 800...900 К), а по дымлению - при повышенных давлениях (до 10...15^.10⁵ Па). Пусковые характеристики камеры определяются в условиях, характерных для высотного запуска (р*_к=0,2…0,4^.10⁵ Па, Т*_к=215...240 К).

Для более точного определения характеристик производятся испытания полноразмерных камер сгорания. Одной из главных задач при этом является исследование полей температур газа в выходном сечении, которые оказывают существенное влияние на условия работы турбины. Поля температур, полученные на отсеке, могут рассматриваться только как предварительные, поскольку в условиях отсека не могут быть реализованы с абсолютной точностью все конструктивные особенности полноразмерной камеры. Хотя устройство экспериментальных стендов для испытаний полноразмерных камер сгорания в принципе аналогично устройству стендов для испытаний отсеков, оно отличается большой конструктивной сложностью и большими габаритными размерами.

Так, для определения полей температур, давлений и состава газа используются достаточно сложные, оснащенные системой охлаждения поворотные турели, обеспечивающие перемещение гребенок термопар или отборников давления и газовых проб по всей площади выходного сечения. В связи с большими расходами воздуха возникают значительные трудности в обеспечении высоких значений давлений и температур воздуха на входе и испытания часто проводятся при пониженных по сравнению с рабочими параметрах. В частности, распространено определение полей температур в выходном сечении при пониженных значениях Т*_к (например, при Т*_к=600 К вместо 900 К) и р*_к (р*_к=(5…7)^.10⁵ Па вместо (20...25)^.10⁵ Па), но при рабочих значениях коэффициента избытка воздуха и скоростей течения. Температура газа на выходе при этом также понижается в связи с понижением Т*_к, что облегчает измерения, а с уменьшением р*_к уменьшаются потребные расходы воздуха и, следовательно, энергетические затраты.

Исследования показывают, что измеренные при этом поля температур, будучи представленными в безразмерном виде (вместо абсолютных значений местных температур Т*_i необходимо использовать их относительные значения q_i=(Т*_i-Т*_г)/(Т*_г-Т*_к), практически аналогичны полям, полученным при рабочих значениях р*_к и Т*_к. Например, сохраняется неизменной максимальная неравномерность температурного поля Dq_г=(Т*_max-Т*_г)/(Т*_г-Т*_к), значение которой, как правило, не должно превышать 0,25...0,3.