Процесс разработки камер сгорания воздушно-реактивных двигателей (ВРД), включающий стадии проектирования, экспериментальных исследований и доводки, является весьма длительным и трудоемким.
Создание как основных, так и форсажных камер ВРД начинается с этапа предварительного проектирования, на котором формируется облик камеры (определяются основные размеры и параметры технического совершенства), выбирается тип основных элементов (диффузора, системы топливоподачи, системы охлаждения, стабилизаторов пламени, устройства розжига и др.), производится предварительный газодинамический расчет для оценки потерь полного давления и расчет теплового состояния стенок.
Чем точнее оценки, полученные на начальных этапах проектирования, чем больше вариантов удается проанализировать для обоснованного выбора наилучшего, тем меньше продолжительность и стоимость последующих этапов (в особенности, доводки камер сгорания).
Реализация этапа предварительного проектирования неразрывно связана с использованием методов математического моделирования камер сгорания.
Классификация методов математического моделирования,
используемых при разработке камер сгорания
Используемые методы отличаются друг от друга степенью детализации газовоздушного тракта камеры, явлений рабочего процесса, элементов конструкции, а также областью использования (т.е. этапами проектирования, на которых эти методы целесообразно применять). Анализ работ в области математического моделирования камер сгорания позволяет выделить следующие методы:
- интегральный,
- реакторный,
- струйный,
- последовательно-одномерный,
- сетевой,
- модульный,
Интегральный метод
Камера рассматривается как единое целое, ее математическая модель представлена совокупностью моделей основных геометрических характеристик и параметров технического совершенства (коэффициентов полноты сгорания, восстановления полного давления, неравномерности температурного поля на выходе, содержания токсичных веществ в продуктах сгорания, границ устойчивой работы, массы).
Метод используется на этапе формирования облика камеры, а также для анализа рабочего процесса двигателя в целом.
Введено понятие обобщенной характеристики камеры сгорания [1], позволяющей представить основные безразмерные величины, характеризующие рабочий процесс, в виде зависимости от определенных чисел подобия для режимов работы камеры сгорания.
Реакторный метод
Рабочий объем камеры разбивается на несколько характерных областей и каждая из них рассматривается как реактор того или иного типа (рис. 1.): идеального смешения, неполного макро- и микросмешения, идеального вытеснения или другого [2].
Метод позволяет моделировать процессы горения, тепло- и массообмена; используется для теоретического исследования рабочего процесса, анализа результатов экспериментов, на этапах предварительного и детального проектирования и доводки камер сгорания.
Метод эффективен для предварительных расчетных оценок полноты сгорания и при моделировании образования токсичных веществ в зоне горения.
Рис. 1. Моделирование зоны горения системой реакторов:
РИС – безразмерный реактор идеального смешения, Р – безразмерный реактор, РВ – реактор вытеснения, 
– расход продуктов горения в первичной зоне, 
– расход воздуха в первичной зоне, 
– расход продуктов горения, рециркулирующих в первичную зону из реактора Р, 
– расход воздуха через фронтовое устройство, 
– расход воздуха через первый пояс основных отверстий, gт – расход топлива.
Струйный метод
Камера сгорания представлена в виде системы струй [3] активного потока, охлаждающего воздуха, циркуляционного течения, вторичного воздуха (рис. 2).
Метод позволяет сформировать упрощенную газодинамическую модель для оценки потерь полного давления на этапе предварительного проектирования.
Рис. 2. Схема моделирования камеры сгорания на основе струйного метода
Последовательно-одномерный метод
Камера представляет собой систему последовательно расположенных элементарных участков (обычно несколько десятков) (рис. 3), на каждом из которых процессы описываются одномерными соотношениями [4].
Разработана одномерная двухслойная модель процесса в зоне горения, учитывающая обратное течение в циркуляционной зоне [5].
Метод дает возможность разрабатывать модели, используемые на начальных стадиях проектирования, а также в процессе доводки камер сгорания.
Рис. 3. Схема моделирования камеры сгорания на основе последовательно-одномерного метода
Сетевой метод
Вся проточная часть камеры сгорания разбивается на большое число элементов – простейших каналов, объединенных с помощью узлов в единую сеть (рис. 4) [6].
В сетевой модели могут использоваться не только газодинамические, но и тепловые связи между узлами. Число элементов может достигать нескольких сотен.
Рис.4. Схема моделирования камеры сгорания на основе сетевого метода
Основные уравнения сохранения массы, энергии, импульса решаются в узлах; для описания течений в элементах используются полуэмпирические соотношения.
Метод, разработанный на основе сетевого подхода, позволяет моделировать процессы течения и теплообмена с учетом тепловыделения при горении, дает возможность оценивать потери полного давления и тепловое состояние стенок.
Метод эффективен как при предварительном, так и детальном анализе камер сгорания.
Модульный метод
Камера рассматривается как совокупность типовых элементов (модулей), каждый из которых выполняет определенные функции [7] (рис.5).
Каждый элемент имеет свою математическую модель [8]. Элементы образуют библиотеку, из набора которой формируется модель камеры любой схемы. Библиотека может непрерывно пополняться новыми элементами.
В расчетной схеме элементы соединяются в соответствии с движением рабочего тела в проточной части камеры.
Для решения системы уравнений, составляющей модель камеры, используется метод Ньютона.
В реальной расчетной схеме камеры общее количество элементов (с учетом их повторения) может достигать 100…150.
Модульный метод отличается универсальностью, производительностью, удобством применения для решения задач предварительного проектирования.
Рис. 5. Расчетная схема основной камеры сгорания для моделирования на основе модульного метода:
1,2 – диффузор, 3 – разделитель, 4 – фронтовое устройство, 5 – кольцевой канал,
6, 8, 9 – отверстия в стенках жаровой трубы, 7 – жаровая труба
Сравнительный анализ методов, используемых при предварительном проектировании камер сгорания, дает возможность сделать следующие выводы.
1. Реакторный и интегральный методы целесообразно использовать на этапе формирования облика камеры сгорания.
2. Наиболее простые для использования результаты анализа дает последовательно-одномерный метод. Однако при его применении осуществляется жесткая привязка математической модели к схеме проточной части и, таким образом, переход к камере другого типа сопряжен с необходимостью перестройки всей математической модели.
3. Сетевой метод, также как и последовательно-одномерный, также требует привязки математической модели к схеме проточной части камеры. Для его реализации, вследствие сложности структурной модели камеры и особенностей используемого численного метода, необходимы значительные вычислительные ресурсы.
4. Струйный метод позволяет получить лишь качественную оценку гидравлических характеристик камеры; такие важные особенности течения, как подвод тепла, учитываются приближенно.
5. Модульный метод дает возможность создать оперативный, достаточно гибкий и универсальный инструмент предварительного проектирования камер сгорания различных типов и схем (в том числе со сложной геометрией проточной части) или вариантов камер, отличающихся разновидностью одного или нескольких составных элементов.
Метод позволяет в течение ограниченного срока выполнить сравнительный газодинамический анализ нескольких вариантов камеры для выбора наилучшего в соответствии с требованиями технического задания.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ.
Литература:
1. Ковылов, Ю. Л. и др. Обобщенная характеристика камеры сгорания ГТД // Теплоэнергетика, 1999, №1, с.32–37.
2. Янковский, В. М. Моделирование зоны горения камеры сгорания ГТД // Изв. вузов. Авиационная техника. 1986.№1. – С.73–76.
3. Абрамович, Г. Н. Упрощенная газодинамическая модель камеры сгорания для идеальной жидкости с подводом тепла // Изв. вузов. Авиационная техника. 1995.№1. – С.37–42.
4. Мингазов, Б. Г., Явкин, В. Б. Моделирование процессов в камерах сгорания ГТД // Известия вузов. Авиационная техника, 1995, №1. – С.47-50.
5. Сиразетдинов, Т. К., Костерин, В. А. Одномерная динамическая модель процесса горения в камере ВРД // Изв. вузов. Авиационная техника. 1999.№3. – С.59–63.
6. Stuttaford, P. J., Rubini, P. A. Preliminary gas turbine combustor design using a network approach // Transactions of ASME: Journal of Engineering of Gas Turbines and Power, v. 119, July, 1997. – pp. 546–552.
7. Харитонов, В. Ф., Коновалова, А. В. Газодинамическое моделирование камер сгорания ГТД на основе модульного метода // Вестник УГАТУ – Уфа: изд-во УГАТУ, 2003, т.4, №1, с. 55–63.
8. Лефевр, А. Процессы в камерах сгорания газотурбинных двигателей. – М.: Мир, 1986. – 566с.
