Стенды и методы исследований рабочих процессов в камерах сгорания

Несмотря на широкое внедрение вычислительной гидрогазодинамики и математического моделирования, объем экспериментальных и доводочных работ при создании камер сгорания газотурбинных двигателей (ГТД) остается весьма значительным. Для сокращения сроков разработки активно применяется проектирование «от прототипа», основанное на переносе практический апробированных конструктивных и схемных решений.

Суммарный трудоемкостный объем поисковых и доводочных исследований определяется тремя ключевыми факторами:
- Целями и требованиями, поставленными перед разработчиками;
- Надежностью и полнотой имеющегося научно-технического задела;
- Наличием или отсутствием базового «прототипа» создаваемой камеры.

Экспериментальная отработка отдельных узлов и элементарных процессов. Для комплексной отработки узлов применяются специализированные экспериментальные установки, позволяющие определять характеристики топливных форсунок, исследовать аэродинамику в диффузорах и жаровых трубах, а также проверять работоспособность систем охлаждения.

- Диагностика форсунок: Современные стенды дают возможность исследовать характеристики распыливания форсунок в непосредственной комбинации с воздушными завихрителями и элементами фронтового устройства.

- Аэродинамика течения: Исследования проводятся в малогабаритных аэродинамических трубах или на «водяных лотках». В аэродинамических трубах с помощью приемников полного и статического давления фиксируются профили и направления скоростей, а также границы зон обратного тока; дополнительно задействуются методы визуализации потока.

- Теплонапряженное состояние: Эксперименты по оценке термонапряжений стенок жаровой трубы выполняются при пониженном давлении и умеренной температуре воздуха. Для воспроизведения реального соотношения конвективного и радиационного тепловых потоков в рабочую полость отсека помещают имитатор излучения светящегося пламени — полую трубу из жаропрочного сплава.

Во время испытаний расход охлаждающего воздуха рассчитывается по перепаду давлений на стенках, распределение температуры по наружной поверхности фиксируется тепловизионной аппаратурой и термопарами, а напряженное состояние — тензорезисторами.

На начальных стадиях доводки экономически и технически целесообразно исследовать не полноразмерную кольцевую камеру, а её изолированный сегмент (отсек), позволяющий получить достаточно объективные данные по основным параметрам. Окончательная же оценка характеристик проводится в ходе автономных испытаний кольцевой камеры на высотных стендах и в составе полноразмерного двигателя.

Автономные испытания на универсальном исследовательском стенде. Универсальный стенд предназначен для проведения полномасштабных автономных испытаний отсеков и полноразмерных камер сгорания в широком диапазоне режимных параметров, как показано на рис. 2.6.14.

Рис. 2.6.14. Схема универсального стенда для автономных испытаний камер сгорания: 1 — барокамера; 2 — объект испытаний; 3 — имитатор отбора воздуха; 4 — водоохлаждаемое выходное устройство, сопло; 5 — визуализация горения; 6 — турель; 7 — гребенка пробоотборников, термопар и приемников полного давления; 8 — датчик пульсации давления; 9 — гребенка приемников полного давления; I — воздух; II — топливо

Для оценки рабочих параметров и характеристик процесс измерений осуществляется с помощью специализированного оборудования и методов: полнота сгорания и экологическая эмиссия определяются путем газового анализа проб газа на быстродействующих газоанализаторах, число дымности выхлопа измеряется фильтрационным методом, а тепловое и напряженное состояние фиксируется с использованием пленочных термопар, термокрасок и тензометров.

При этом лучистый (радиационный) поток теплоты измеряется радиометрами, поля температур в выходном сечении выявляются с помощью высокотемпературных термопар (до 1800...2000 °C) или насадками отбора проб на турели, гидравлические потери регистрируются дифференциальными датчиками давления, а пульсации давления и устойчивость горения контролируются датчиками колебаний давления.

Комплексный стендовый контроль позволяет надежно определить коэффициент полноты сгорания топлива, измерить эмиссию вредных веществ (NOₓ, CO, CₓHᵧ), зарегистрировать динамические пульсации давления и установить границы устойчивого горения во всем эксплуатационном диапазоне рабочих режимов.