книги из ГПНТБ / Неустановившиеся режимы поршневых и газотурбинных двигателей автотракторного типа

(рис. 64, б). Это отличие прежде всего состоит в том, что разгоны, представленные на рис. 64, а, сопровождаются забросом относи­ тельного значения часового расхода топлива (превышением рас­ хода над его значением на установившемся режиме после разгона), тогда как при разгонах, представленных на рис. 64, б, забросы

отсутствуют. Максимумы кривых GT = / (t) в обоих случаях с увеличением времени полного открытия проходного сечения топливного крана сдвигаются вправо. Кроме того, различны и интенсивности нарастания часового расхода топлива: если при tKP = 2 с в первом случае (рис. 64, а) расход топлива увеличи­ вается от значения его на исходном режиме до максимума за 2,2 с, то во втором (рис. 64, б) — за 5 С; при tKP = 13 с эти зна­ чения соответственно равны 3,4 и 8,3 с. Для других значений tKP это время будет находиться в пределах указанного.

Превышение расхода топлива при разгонах, представленных на рис. 64, а, над значением его на установившемся режиме после разгона доходит до 11— 14% в зависимости от скорости открытия крана. Это обстоятельство и более интенсивное, чем в случае на рис. 64, б, нарастание часового расхода топлива во времени объясняется тем, что в данных условиях разгон двигателя начи­ нается с малых степеней открытия проходного сечения топливного крана (18—20%). При этом значительная часть топлива, подавае­ мого насосом, перепускается из линии нагнетания на линию впуска. При разгонах, сопровождаемых открытием крана, эта доля топлива поступает в камеру сгорания и выводит систему из условия установившегося режима. Быстрое нарастание частоты вращения ротора турбины во времени приводит к увеличению частоты вращения ротора топливного насоса и к росту расхода

(29-ъЗО) 103 об/мин (т. е. 88—90% от номинальных) перепускает топливо из линии нагнетания на линию впуска. Инерционность системы регулирования и дальнейшее повышение частоты враще­ ния ротора турбины (а следовательно, и топливного насоса) до момента завершения процесса разгона и приводит к превышению расхода топлива в указанных пределах.

При разгонах, когда Neii = 0,32NeH проходное сечение топлив­ ного крана на исходном режиме открыто больше, чем в предыду­ щем случае (на 25—-27%). Следовательно, меньшая часть топлива перепускается на линию впуска. Это приводит к тому, что в мо­ мент начала разгона, когда проходное сечение топливного крана

110

режиме после разгона. Причем для всех случаев разгона харак­ терны довольно близкие друг к другу интенсивности увеличения а0.

Интенсивность убывания величины а 0, характеризуемая сред­ ней скоростью изменения величины Да0 за период убывания At на участке, т. е. Аа0/Аt для различных разгонов различна.

Время t (отсчитываемое от начала разгона), за которое ве­ личина а 0 достигает минимального значения a mln, и интенсивность убывания величины а 0 приведены в табл. 9 .

Рис. 67. Изменение общего коэффициента избытка воздуха при разгонах с различной скоростью открытия крана при исходной частоте вращения

23 000 об/мин: а — Nm = 0,2 NeH; б — Nen — 0,32 NeH

Т а б л и ц а 9

Изменение общего коэффициента избытка воздуха в процессе разгона

Как показали результаты эксперимента, в наиболее неблаго­ приятных условиях режимов разгона (рис. 67, a, tKp = 2 с) общий коэффициент избытка воздуха имел минимальное значение 2,75 (или 0,685 в зоне горения). Это выше предела срыва пламени

в камере сгорания, происходящего из-за чрезмерного обогащения смеси. Этот предел срыва по данным работ ряда исследователей наступает при а пр < 0,45. Поэтому при исследовании ГТД в ре­ жимах работы автотракторного двигателя срывов пламени по указанной причине в камере сгорания не наблюдалось.

В связи с изложенным значительный интерес представляет

количество действительно выделившегося при сгорании тепла Qn в каждый данный момент времени на разных режимах разгона. Это количество может быть подсчитано, если известна темпера­ тура продуктов сгорания в данный момент, расход газа и коли-

Рис. 68. Изменение относительного количества тепла, выделяюще­ гося в камере сгорания ГТД, при разгонах с различной скоростью открытия крана при исходной частоте вращения 23 000 об/мин:

иNей ~ й,2 NeH; б — /Vell = 0,32 Neli

чество тепла, внесенного в камеру сгорания воздухом и топливом, а также потеря тепла от химической неполноты сгорания, луче­ испусканием и пр.

По данным эксперимента вычислена величина <2Д (рис. 6 8 ) для каждого режима разгона одновального ГТД. При вычисле­ нии допускалось, что тепловые потери в камере на установившихся режимах и режимах разгона одинаковы. Абсолютное значение

и интенсивность нарастания величины Qa на разных режимах

разгона различны. Время / достижения максимального значения Qa (начиная от начала разгона) приведено в табл. 10.

Средняя скорость Д<2д/Д/ нарастания величины фд во времени для_ условий^разгона также приведена в табл. 10. При разгонах

с Nen = 0,2NeH величина при всех скоростях открытия про­

ходного сечения топливного крана имеет забросы 8Qn по сравне­ нию со значением ее на установившемся режиме после разгона (табл. 10). При разгонах, когда лГен = 0,32Неп, забросы пара-

114

Т а б л и ц а 10

метра фд отсутствуют. Уменьшение величины Qa после максимума (рис. 6 8 , а) до значения на установившемся режиме после разгона происходит менее интенсивно чем увеличение до максимума, хотя длится во времени меньше.

Влияние различных параметров сказывается прежде всего на скорости реакции [49; 52; 57], а следовательно, и на нормальной скорости распространения пламени.

Состав смеси характеризуется коэффициентом избытка воз­ духа а. О закономерностях изменения коэффициента избытка воздуха на режимах разгона ГТД речь шла выше (рис. 67). Сравни­

вая рис. 67 и 6 8 , можно сказать, что максимумы кривых QA = = / (t) не совпадают с минимумом кривых а 0 = ф (t). Для всех

режимов разгона QA достигает максимума в момент, когда а 0 > > а т1п. При этом а 0 = 3,4-н3,6. Если допустить, что на режимах разгона воздух, потребляемый ГТД, распределяется в таком же соотношении, как и на установившихся режимах (т. е. 25% от общего количества потребляемого двигателем воздуха участвует

в процессе сгорания), то QA при всех случаях разгона достигает максимума в тот момент, когда в зоне горения камеры а = 0,85-г- -f-0 ,9 , т. е. как раз тогда, когда скорость распространения пла­ мени в смеси имеет максимальное значение по а.

Начальная температура смеси является функцией темпера­ туры воздуха за компрессором (для двигателей без регенератора), температуры и состояния стенок проходных сечений и камеры сгорания, скорости потока, величины тепловых потерь и др. Полагая в первом приближении, что влияние трех последних фак­ торов для различных условий разгона одинаково, рассмотрим закономерность изменения температуры воздуха за компрессором. Так как в исследуемой конструкции двигателя расстояние между

выходом воздуха из диффузора компрессора и входом в камеру сгорания очень мало, то можно считать, что температура воздуха

за компрессором ТгкР равна температуре воздуха на входе в ка­ меру сгорания (здесь и дальше звездочка при параметре означает, что берется значение его для условий заторможенного потока). Для указанных выше условий разгона она представлена на рис. 69. Как видно из рисунка, интенсивность увеличения температуры воздуха за компрессором при различных разгонах различна. Так, при разгонах с исходной нагрузкой в 20% от номинальной

Рис. 69. Изменение температуры воздуха за компрессором при разгонах с раз­

она меняется более интенсивно, чем при разгонах с исходной нагрузкой в 32% от номинальной. Время t достижения максимума

Из рис. 69 видно, что максимальная скорость повышения тем­ пературы воздуха за компрессором имеет место на участке, где

тангенс угла наклона кривых 7гкР = ф (t) к оси времени имеет максимальное значение. Анализ рис. 68 и 69 показывает, что

116

при разгонах максимумы кривых Qa = f (t) приходятся на мо­ мент времени, находящийся в пределах, ограниченных участком

кривых Т2кР = тр (t) с наибольшим углом наклона (к оси вре­ мени) проведенных к ним касательных. Между тем повышение начальной температуры смеси ведет к увеличению нормальной скорости распространения пламени. Это объясняется увеличе­ нием скорости испарения топлива, физико-химических превраще­ ний его и химических реакций.

Давление смеси в камере сгорания является функцией давле­ ния воздуха за компрессором (отбор воздуха в двигателе на раз­ личные нужды не производился), скорости потока, расхода топ­ лива и др. Принимая во внимание, что решающее влияние на давление смеси в реальных условиях оказывает давление воздуха

за компрессором р1кР (о расходе топлива говорилось выше — рис. 64), выясним характер его изменения по режимам разгона. Закономерности изменения этого параметра представлены на рис. 70. Обращает внимание то обстоятельство, что как при исход­ ной нагрузке в 20%, так и при исходной нагрузке в 32% от номи­ нальной в начальный период разгона давление нарастает медленно, и только через 0,3—0,8 с наблюдается интенсивный его рост на значительном участке разгона. Завершающая стадия разгона (0,2— 1,3 с до конца разгона), как и начальная, характеризуется снижением интенсивности роста давления. Последнее особенно

ярко выражено в случае разгона при Nen = 0,32Nea. Указанные закономерности изменения давления за компрессором объяс­ няются закономерностью изменения частоты вращения компрес­ сора во времени (см. п. 28).

117

Максимумы кривых /?2кр = Ф1 (t) при увеличении продол­ жительности открытия проходного сечения топливного крана сдвигаются вправо (рис. 70). Так, в первом случае (рис. 70, а) при tKр = 2 с максимум достигается через 2,9 с после начала разгона, а при ^кр = 13 с — только через 4,2 с. Это же наблю­

дается и при Neu = 0,32Nea.

Остановимся на количественных данных, полученных в ре­ зультате сравнения некоторых параметров одновального ГТД при одном и том же скоростном режиме для условий разгона и установившегося режима.

a)Gr .

топлива в функции частоты вращения п?р зависит от исходной нагрузки на тормозе и времени полного открытия крана. Разгоны

в случае Neu = 0,2Nea сопровождаются забросом часового расхода топлива над значением его на установившемся режиме после

разгона. При разгонах с Nea = 0,32jV£h забросов не наблюдается. Причины этого изложены выше.

Наибольшее -превышение часового расхода топлива над его значением на установившемся режиме имеет место в начальной

стадии^разгона. Величина превышения для разгонов при Nea = = 0,2УУен для значений /кр, равных 2; 7 и 13 с, доходит соответ­

ственно до 70; 55 и 41,5%. Для разгонов при Neil = 0,32jVeH это превышение соответственно составляет 41,5, 25 и 10%.

Характер изменения расхода воздуха в функции частоты вра­ щения для двух условий разгона представлен на рис. 72. Как

118

Рис. 72. Изменение приведенного расхода воздуха: а — УУеи= 0,2 N eH;

бЛ/еи — 0,32 А^ен*

—— разгоны;------ — установивший­

ся режим