Файл: Эксплуатационные свойства и применение горючего, смазочных материалов и специальных жидкостей учебное пособие..pdf

Г л а в а 13. РЕ А К Т И В Н О Е Т О П Л И ВО

УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ, ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ

О б л а с т ь п ри м ен ен и я и с о р т а . Реактивное топливо используется как источник энергии авиационных воздушно-реактивных двига­ телей (ВРД). Иногда это топливо применяется в качестве горюче­ го для газотурбинных двигателей.

Воздушно-реактивные двигатели, включающие турбореактив­ ные |ТРД) и прямоточные (ПВРД), позволяют обеспечить боль­ шие скорости полета самолетов. Турбореактивные и газотурбинные двигатели начинают использовать в качестве силовых установок наземной техники и некоторых кораблей ВМФ, а также в народ­ ном хозяйстве.

Широкое распространение этих двигателей в авиации объясня­ ется их большими преимуществами по сравнению с поршневыми:

—небольшим удельным весо?,1 , габаритами и возможностью развивать высокую тягу;

—использованием топлива более тяжелого фракционного со­

става в сравнении с авиационным бензином.

В настоящее время почти вся авиация стала реактивной. Основ­ ной величиной, характеризующей реактивный двигатель как сило­ вую установку, является сила тяги. Последняя возникает вследст­ вие преобразования химической энергии топлива в кинетическую энергию газовой струи, вытекающей из реактивного сопла.

Продукты сгорания с большой скоростью вытекают через реак­ тивное сопло двигателя в атмосферу. Скорость истечения газов определяется их термодинамическими характеристиками и тепло­ той сгорания топлива.

Область использования того или иного вида ВРД в авиации за­ висит от того, какие удельные расходы топлив и скорости полета обеспечивают данные типы двигателей (рис. 53).

лучшие показатели. С увеличением скорости полета преимущества турбовинтового двигателя уменьшаются: при М =1 турбовинтовой двигатель имеет примерно такой же расход топлива, как и турбо­ реактивный, а при М > 1 турбореактивный двигатель характери­ зуется меньшими удельными расходами топлива.С ростом скорости полета диаметр воздушного винта должен неизбежно уменьшаться, чтобы снизить лобовое сопротивление воздуха. Но при уменьшении диаметра винта уменьшается сечение отбрасываемой им струи воз­ духа. Чтобы сохранить тягу при меньшем количестве отбрасы­ ваемого воздуха, винт, хотя и уменьшают, но помещают в трубу, увеличивая этим скорость отбрасываемого воздуха. Такая система по существу представляет собой вентилятор, а двигатели называ­ ются трубовентиляторными. Эти двигатели превосходят по эконо­ мичности турбовинтовые при М =1.

205

Прямоточный ВРД при М < 2 имеет наибольший удельный рас­ ход, однако при М > 3—4 его удельный расход меньше, чем у тур­ бореактивного, особенно с форсажной камерой. Поскольку в совре-

Скорсстьполета, числа Маха

Рис. 53. Удельные расходы топлива для двига­ телей различных типов:

1—поршневой двигатель; 2—турбореактивный; 3—турбовин­ товой; 4—турбовентиляторный; 5—турбореактивный с фор­ сажной камерой; б—прямоточный; 7—линия температуры нагрева топлива в самолете.

менной авиации используютсзя преимущественно турбореактивные двигатели, применительно к ним рассмотрим особенности воспла­ менения и горения реактивного топлива.

Воспламенение и горение. Горение в ВРД протекает с большой теплонапряженностью:

Теплонапряженность камер сгорания ТРД составляет 100-106 — 250 - 106, а сверхзвуковых ПВРД — до 600 • 10е ккал/м3ч.

Горение в ГГД развивается как непрерывный процесс в быст­ ро движущемся газовоздушном потоке. Скорость движения пото­ ка может достигать 60—100 м/с, а максимальная скорость горения составляет около 40 м/с. Для повышения устойчивости горения з камере устанавливаются стабилизаторы, завихрители, экраны

206

и обтекатели. Схема, иллюстрирующая физическую картину раз­ вития процессов смесеобразования и горения в ТРД, приведена на рис. 54. В камере сгорания условно можно выделить три зоны.

Рис. 54. Схема развития процесса горения в воздушно-реактивном двигателе:

/ —зона распыливания и испарения; / / —зона воспламенения и горения; III—зона разбавления

иупорядоченного движения газов.

Впервой происходит распыливание, испарение, смешение и обра­

Во второй осуществляется воспламенение и горение. Образовав­ шиеся газы имеют высокую температуру и не могут направляться непосредственно на лопатки турбины. В третьей зоне продукты сго­ рания смешиваются с воздухом и поступают далее в направляю­ щий аппарат турбины с температурой 800—900° С.

Основным нарушением процесса горения в воздушно-реактив­ ном двигателе является срыв пламени. Особенно неблагоприятные условия для протекания процесса горения создаются на больших высотах, при понижении температуры и давления. С подъемом на высоту плотность воздуха падает и его массовый расход уменьшается. Сохранение необходимого состава горючей смеси приводит к снижению расхода топлива, уменьшению давления впрыска и ухуд­ шению качества распыливания. Это нарушает стабильность сго­ рания.

Факторы, влияющие на полноту и устойчивость сгорания. Пол­ нота сгорания характеризуется коэффициентом выделения тепла, представляющего собой отношение действительно выделившегося тепла в камере сгорания к теплу, подведенному с топливом. Пол­ нота сгорания является важной характеристикой рабочего процес­ са ВРД и ГТД и на эксплуатационных режимах для основных ка­ мер составляет 0,97—0,98, а для форсажных и ПВРД k=0,9 —0,95.

Устойчивость сгорания оценивается предельными значениями коэффициентов избытка воздуха при обеднении и обогащении, ког­ да наступает срыв пламени. Обычно за предел допустимого обога­ щения принимается состав смеси, при котором появляется пламя

207

на срезе камеры, так как горение в зоне направляющего аппарата и лопаток турбины не допускается.

ются скорости испарения и предпламенных химических превращекий топлива, увеличивается задержка воспламенения. Время раз­ вития процесса воспламенения и горения увеличивается, поэтому часть несгоревшего топлива уносится в зону разбавления, где вследствие смешения с воздухом нет условий для осуществления полного сгорания.

ТемператураЬоздуха,°С

Рис. 56. Изменение коэффициента выделения тепла в зависимости от темпе­ ратуры воздуха на входе в камеру сгорания экспериментальной установки:

1 и 2—топлива различного состава.

208

Резкое снижение полноты сгорания топлива наблюдается при температуре воздуха на входе в камеру сгорания ниже 80° С (рис. 56).

Влияние состава смеси. Для каждой камеры сгорания сущест­ вует оптимальное значение коэффициента избытка воздуха, при котором полнота сгорания топлива наибольшая (рис. 57). Откло-

ной установке при различных давлениях воздуха.

нение от этого значения в сторону обогащения или обеднения топ­ ливо-воздушной смеси вызывает уменьшение полноты сгорания. При обогащении смеси горение происходит с недостатком кислоро­ да и не создаются требуемые условия для полного смесеобразова­ ния, необходимого для нормального сгорания. Причиной снижения полноты сгорания с обеднением смеси является снижение скорости горения. При значительном отклонении состава смеси от оптималь­ ного значения коэффициента избытка воздуха в сторону обогаще­ ния или обеднения скорость горения настолько падает, что проис­ ходит срыв пламени.

Требования к качеству топлива. Исходя из условий эксплуата­ ции и особенностей протекания процесса сгорания, топлива для авиационных воздушно-реактивных и газотурбинных двигателей должны удовлетворять следующим требованиям:

—обеспечивать надежный запуск двигателя в наземных и вы­ сотных условиях;

—хорошо прокачиваться по топливной системе самолета приразличных температурах на больших высотах полета и не вызы­ вать износа агрегатов топливной системы;

—устойчиво, полно и с высокой скоростью сгорать, не обра­ зуя нагара;

•— не коррозировать детали топливной системы; -- иметь высокую стабильность в условиях хранения, транспор­

тировки и применения.

Кроме рассмотренных выше требований, качество реактивного топлива должно наиболее полно отвечать условиям реактивного принципа работы авиационных силовых установок.

Расход топлива

Удельная тяга, т. е. тяга двигателя, отнесенная к единице мас­ сы рабочего тела — воздуха и топлива, составляет

Удельный расход топлива равен

Из уравнений следует, что чем больше теплота сгорания топ­ лива и меньше воздуха требуется для его полного сгорания, тем выше удельная тяга. Тяга зависит также от эффективного к. п. д. -це, который пропорционален термическому к. п. д. -qt. Последний определяется составом продуктов сгорания и степенью их расши­ рения.

С учетом принципов реактивного движения топливо должно от­ вечать следующим требованиям:

—иметь возможно более высокую теплоту сгорания и неболь­ шое количество воздуха для полного сжигания единицы массы го­ рючего;

—продукты сгорания должны быть с малой молекулярной массой и устойчивыми к диссоциации;

—иметь высокую плотность, так как расход топлива велик, а его запасы на летательных аппаратах ограничиваются объемом топливных баков.

Для двигателей сверхзвуковой авиации необходимо, чтобы топ­ ливо, имея высокую теплоту сгорания, плотность и термическую стабильность, одновременно обеспечивало полноту сгорания, не вызывало нарушений в подаче и потери от испарения.

Для воздушно-реактивных двигателей используются преимуще­ ственно углеводородные топлива, полученные из нефти.

По фракционному составу эти топлива делятся на три основ­ ные группы:

— типа керосина, например, топлива Т-1, ТС-1, Т-7, Т-8 и РТ;

— типа широкой фракции, включающее помимо керосиновых и бензиновые фракции;

210

— утяжеленные топлива узкого фракционного состава типа топ­ лива Т-6, имеющие большую плотность и низкое давление насы­ щенных паров.

Большую часть топлив получают прямой перегонкой из мало­ сернистых и сернистых нефтей.

По объему производства наиболее массовыми являются топли­ ва ТС-1 и Т-7. Топливо Т-7 — гидроочищенное, содержит не более 0,05% серы, в том числе меркаптановой не более 0,001%.

Утяжеленные топлива типа Т-6 получают как прямой перегон­ кой, так и путем гидрирования газойлей каталитического крекинга, в результате чего ароматические углеводороды превращаются преимущественно в циклановые.

Высококачественные реактивные топлива с преимущественным содержанием циклановых углеводородов можно получать гидриро­ ванием керосиновых дистиллятов прямой перегонки.

Дальнейшее развитие авиации связано не толь­ ко с увеличением количе­ ства потребляемого реак­ тивного топлива, но и улучшением его эксплуа­ тационных свойств. Этим требованиям в известной степени будет удовлетво­ рять топливо Т-8 с преде­ лами выкипания 164— 264° С и плотностью не менее 0,825 г/см3, полу­ чаемое на базе гидро­ очистки дистиллятов сер­ нистых и малосернистых нефтей.

они теряют подвижность, лежит ниже обычных минимальных темпе­ ратур северных районов Советского Союза (ниже — 60°С). Повы­ шение вязкости до 30—50 сст при охлаждении (рис. 58) увеличи­ вает гидравлические сопротивления при движении по топливопро­ водам, но не вызывает нарушений в перекачке. Затруднения в по-