Камера сгорания двс. Камеры сгорания бензиновых двигателей. Неразделенные камеры сгорания

Гидравлические потери в свою очередь можно разделить на составляющие потери: в диффузоре в кольцевых каналах на втекание воздуха в отверстия жаровой трубы и элементы фронтового устройства ФУ на смешение струй. её объем характеризуются величиной удельной теплонапряженности Qv которая равна отношению количества тепла выделившегося в единицу времени к объему жаровой трубы и давлению на входе в КС: где низшая теплотворная способность топлива Дж кг; секундный расход топлива кг с; объем жаровой трубы м; давление...

Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

Лекция 5

КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГТД

В «простом» термодинамическом цикле ГТД к потоку рабочего тела подводится тепло. В ГТД этот процесс осуществляется в камере сгорания (КС). Тепло подводится за счет сгорания топлива, то есть преобразования химической энергии топлива в тепловую, при этом температура рабочего тела возрастает от значения Т * к (за компрессором) до Т * г (на входе в турбину).

Реальный процесс в КС отличается от идеального наличием потерь давления. Потери давления в КС складываются из гидравлических потерь (потерь трения) и потерь от подвода тепла к потоку рабочего тела. Гидравлические потери, в свою очередь, можно разделить на составляющие потери:

В диффузоре,

В кольцевых каналах,

На втекание воздуха в отверстия жаровой трубы и элементы фронтового устройства (ФУ),

На смешение струй.

Кроме потерь давления процессы в КС сопровождаются потерями тепла за счет его рассеивания в окружающее пространство и за счет неполного сгорания топлива. Потери тепла в окружающее пространство по сравнению с количеством тепла, подводимым к рабочему телу, в КС ТРД составляют 0,005...0,01 %.

Экономичность двигателя находится в прямой зависимости от полноты сгорания топлива. В современных ГТД процесс сгорания топлива в КС достаточно хорошо организован, поэтому полнота сгорания топлива в них достигает величины =0,995...0,999.

5.1. Требования к КС

К КС кроме общих требований предъявляются специфические требования. Рассмотрим их подробнее.

Минимальные габаритные размеры КС . Они влияют на продольные и поперечные размеры двигателя, и следовательно, на его массу. Обычно габариты КС (т.е. её объем) характеризуются величиной удельной теплонапряженности Q v , которая равна отношению количества тепла, выделившегося в единицу времени, к объему жаровой трубы и давлению на входе в КС:

где - низшая теплотворная способность топлива (Дж / кг );

Секундный расход топлива (кг / с );

Объем жаровой трубы (м );

Давление воздуха (Па ).

Чем больше теплонапряженность при заданном расходе топлива, тем меньше объем КС. Теплонапряженность КС современных ГТД составляет (3,5...6,5)10 6 (Дж/ч·м 3 ·Па).

Высокая полнота сгорания топлива на всех режимах работы двигателя. Полнота сгорания топлива характеризуется коэффициентом полноты сгорания, под которым обычно понимают отношение количества тепла, выделившегося при сгорании единицы массы топлива, к его теплотворной способности.

Минимальные потери полного давления в КС. Потери характеризуются коэффициентом восстановления полного давления:

В современных КС коэффициент восстановления полного давления составляет 0,94...0.96.

Широкие пределы устойчивого горения . Пределы устойчивого горения определяются условиями эксплуатации самолета. Пламя не должно гаснуть в заданном диапазоне изменения отношения топлива/воздух, давления, скорости и при попадании на вход двигателя воды, льда и посторонних предметов.

В земных условиях розжиг должен быть обеспечен в диапазоне температур от минус 40° до плюс 40 °С.

Отсутствие пульсаций давления (вибрационного горения).

Поле температур на выходе из КС. Поле температур должно в радиальном направлении иметь эпюру, определяемую предельно допустимыми напряжениями в рабочих лопатках турбины и соплового аппарата. Конкретный характер эпюры температур по радиусу лопатки выбирают в зависимости от конструктивных особенностей турбины (величины и формы рабочей лопатки, ее материала, способа охлаждения и т.д.).

Уровень выбросов дыма (SN (Smoke number)), несгоревшего топлива и газообразных веществ, загрязняющих атмосферу - оксидов азота (NOx), оксидов углерода (СО), несгоревших углеводородов (НС) - должен соответствовать международным нормам ИКАО.

На элементах конструкции КС не должен откладываться нагар .

Наземные ГТД должны иметь возможность работы на жидких и газообразных топливах самых различных сортов и должны обеспечивать повышенное удобство в техническом обслуживании и высокую ремонтопригодность.

5.2. Схемы КС

При всем разнообразии конструкций КС ее схему и происходящие в ней процессы можно представить следующим образом (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Общая схема и распределение воздуха в КС:

1 - диффузор; 2 - кольцевые каналы; 3 - корпус КС; 4 - жаровая труба;

5 - отверстия первичной зоны; 6 - отверстия зоны смешения; 7 - отверстия охлаждения;

8 - топливная форсунка; 9 - фронтовое устройство; 10 - свеча зажигания

Воздух поступает из компрессора в КС с большой скоростью - в современных двигателях до 150 м / с . Потери полного давления в КС при подводе тепла к потоку, движущемуся с такой скоростью, были бы недопустимыми и достигали бы четвертой части повышения давления воздуха в компрессоре. Для снижения потерь давления и преобразования части кинетической энергии в прирост статического давления скорость воздушного потока после компрессора должна быть значительно снижена. Поэтому на всех ГТД после компрессора располагается диффузор 1. Далее воздух поступает в кольцевые каналы 2 между корпусом 3 и жаровой трубой 4, а затем в жаровую трубу. В жаровой трубе воздух распределяется по отверстиям двух условных зон - зоны горения 5 (первичная зона) и зоны смешения 6. Кроме этого, воздух также поступает в отверстия 7 для охлаждения горячих стенок жаровой трубы. Топливо подается в жаровую трубу через форсунки 8. В первичной зоне с помощью фронтового устройства (ФУ) 9 организуется зона с малыми скоростями. В этой зоне процесс горения поддерживается за счет циркуляционного течения продуктов сгорания, непрерывно поджигающих свежую топливовоздушную смесь (TBC). При запуске двигателя воспламенение TBC в КС осуществляется с помощью электрической свечи 10 или воспламенителя.

Циркуляционное течение в первичной зоне обеспечивает стабильность и эффективность горения. Отношение расхода топлива и воздуха в первичной зоне является важнейшим фактором, влияющим на процесс горения и рабочие характеристики КС. Для обеспечения устойчивого процесса горения на всех режимах работы двигателя в первичную зону подается только часть воздуха. В зависимости от способа сжигания топлива это количество воздуха может меняться. На рис. 5.1 приведено распределение воздуха в жаровой трубе для типичной КС, где 20 % воздуха поступает во ФУ, а 80 % в жаровую трубу (20 % в зону горения, 20 % в зону смешения и 40 % на охлаждение стенок). Иногда первичную зону (зону горения) разделяют на две зоны - зону циркуляции и зону догорания топлива (промежуточную зону).

В зоне смешения продукты сгорания разбавляются воздухом до требуемой температуры, тем самым на выходе из КС формируется стабильное и оптимальное поля температур для обеспечения работоспособности турбины.

5.2.1. Основные схемы КС

В зависимости от назначения ГТД наземного применения, вида используемого топлива, параметров рабочего цикла и тепловой схемы применяются КС различных конструкций. С точки зрения расположения на двигателе КС можно условно разделить на две группы: выносные и встроенные.

Выносные КС размещаются в отдельном силовом корпусе с одной жаровой трубой параллельно или под углом к продольной оси ГТД (рис. 5.3).

Рис. 5.3. КС двигателя фирмы «Rolls-Royce»:

1 - жаровая труба; 2 - газосборник; 3 - турбина высокого давления; 4 - завихритель;

5 - форсунка; 6 - воспламенитель; 7 - диффузор; 8 - воздушный канал

Здесь каждая жаровая труба 1 имеет наружный силовой корпус 2, который легко отсоединяется от общего корпуса КС. Благодаря этому жаровую трубу можно извлечь и осмотреть, а также можно осмотреть сопловой аппарат первой ступени турбины. Жаровая труба телескопически соединена с газосборником 3, который закреплен с помощью опоры 4. Жаровая труба имеет фронтовое устройство 5 с топливной форсункой 6 и свечу зажигания 7. Для обеспечения равномерной подачи воздуха в жаровую трубу и улучшения условий охлаждения ее стенки предусмотрен дефлектор 8. Часть воздуха 9 после компрессора поступает в жаровую трубу в качестве охлаждающего воздуха 10.

Выносные КС с отдельными жаровыми трубами удобно обслуживать и ремонтировать, они проще в доводке, удешевляют разработку различных устройств, уменьшающих образование вредных выбросов. Кроме этого, длинные газосборники между жаровыми трубами и турбиной создают хорошие условия для перемешивания продуктов сгорания. К недостаткам выносных КС можно отнести большие размеры с развитой поверхностью охлаждения и более сложные условия для компенсации тепловых расширений газосборников.

Встроенные КС позволяют уменьшить общие габариты и массу ГТД, снизить количество модулей.

Наибольшее распространение в ГТД получили три схемы КС - трубчатые, трубчато-кольцевые и кольцевые.

В трубчатой КС каждая жаровая труба имеет отдельный корпус и образует индивидуальную трубчатую КС (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Трубчатая КС:

1 - внутренний корпус двигателя; 2 - корпус; 3 - фланец соединения с компрессором;

4 - пламеперебрасывающая муфта; 5 - дренажная труба; 6 - противопожарная перегородка; 7 - форсунка; 8 - коллектор первого контура; 9 - коллектор второго контура;

10 - диффузор; 11 - заборник первичного воздуха

В ГТД КС такой схемы выполняют в виде блока из нескольких индивидуальных трубчатых КС. Трубчатая КС с индивидуальными трубчатыми КС, расположенными вокруг внутреннего корпуса 1 двигателя. Корпуса 2 каждой индивидуальной КС соединяются с выходом компрессора при помощи фланца 3. Между собой корпуса индивидуальных КС и жаровые трубы соединены муфтами 4 для переброса пламени при розжиге TBC и выравнивания давления между жаровыми трубами. Кроме того, корпуса КС соединены между собой дренажными трубами 5 для слива топлива при неудавшемся запуске двигателя.

Топливо в КС подается через форсунки 7. Топливо к форсункам подается через коллектор 8 первого контура и коллектор 9 второго контура. На входе в КС расположен диффузор 10.

Трубчато-кольцевая КС также состоит из нескольких отдельных жаровых труб и газосборников, но располагаются они в общем кольцевом канале между корпусами. На рис. 5.3 показана трубчато-кольцевая КС.

Рис. 5.3. Трубчато-кольцевая камера сгорания:

1 - наружный корпус КС; 2 - внутренний корпус КС; 3 - жаровая труба; 4 - наружное кольцо газосборника; 5 - внутреннее кольцо газосборника; 6 - силовая стойка;

7 - наружное кольцо диффузора; 8 - внутреннее кольцо диффузора; 9 - полость отборов воздуха; 10 - фланцы отбора воздуха; 11 - форсунка; 12 - топливный коллектор первого контура; 13 - топливный коллектор второго контура; 14 - трубопроводы подвода топлива к форсунке; 15 - свечи зажигания; 16 - пламеперебрасывающий патрубок;

17-пламеперебрасывающая муфта; 18 - подвеска жаровой трубы; 19 - отверстия первичной зоны; 20 - отверстия зоны смешения; 21 - рамочный фланец жаровой трубы;

22 - сопловой аппарат ТВД; 23 - перепускная труба; 24 - лючок осмотра

КС комбинированного типа с двенадцатью жаровыми трубами и кольцевым газосборником. Применение кольцевого газосборника отличает представленную КС от обычных схем трубчато-кольцевых КС с индивидуальными газосборниками.

Наружный 1 и внутренний 2 корпусы образуют кольцевой канал, в котором располагаются жаровые трубы 3 и кольцевой газосборник, состоящий из наружного 4 и внутреннего 5 колец. Кроме того, наружный и внутренний корпусы вместе со скрепляющими их двенадцатью силовыми стойками 6 входят в силовую схему двигателя. На входе в КС наружное кольцо 7 и внутреннее 8 диффузора образуют кольцевой диффузорный канал с безотрывным течением в начальном участке и с внезапным расширением потока на выходном участке. Наружное кольцо 7 диффузора образует вместе с наружным корпусом полость 9, з которой через фланцы 10 осуществляется отбор воздуха на агрегаты системы автоматического регулирования двигателя.

На корпус КС устанавливается двенадцать топливных форсунок 17, коллекторы первого 12 и второго 13 контуров с двадцатью четырьмя трубопроводами 14 подвода топлива к форсункам. Для розжига TBC в КС в двух жаровых трубах установлены по одной свече зажигания 15. Воспламенение топлива в других жаровых трубах происходит через пламеперебрасывающие патрубки 16, соединенные пламеперебрасывающими муфтами 17.

Жаровые трубы фиксируются от перемещения в радиальном направлении в передней части при помощи форсунок, а в задней - опираются на кольца газосборника. В осевом направлении десять из двенадцати жаровых труб фиксируются при помощи подвесок 18, а две жаровые трубы - при помощи свечей зажигания. В стенках жаровых труб выполнено два ряда отверстий 19 и 20 для подвода воздуха в первичную зону и зону смешения, соответственно. По боковым поверхностям фланцев 21 жаровые трубы стыкуются между собой, а по верхним и нижним поверхностям телескопически сопрягаются с кольцами газосборника. Кольца газосборника образуют кольцевой канал, в котором происходит формирование на выходе из КС газового потока с наименьшей неравномерностью температур и давлений по окружности и необходимой радиальной эпюрой. Задняя часть кольца газосборника наружного является корпусом соплового аппарата 22 ТВД.

На фланцы наружного корпуса установлены двенадцать перепускных труб 23, которые проходят через проточную часть КС и вставляются во втулки на корпусе внутреннем. Через перепускные трубы проходят трубопроводы масляной, воздушной и суфлирующей систем двигателя, а также сообщается с наружным контуром полость, расположенная под корпусом внутренним. Для эндоскопического контроля КС на наружном корпусе расположены двенадцать лючков 24.

В кольцевой КС (рис. 5.4) между образующими кольцевой канал наружным 1 и внутренним 2 корпусами устанавливается одна жаровая труба 3.

Корпуса КС вместе с направляющим аппаратом 4 компрессора входят в силовую схему двигателя. На выходе из направляющего аппарата компрессора установлено кольцо диффузора наружное 5, которое вместе со стенкой внутреннего корпуса образует кольцевой диффузор.

Рабочий объем жаровой трубы представляет собой кольцевое пространство между наружной 6, внутренней 7 стенками и фронтовой плитой 8.

Рис. 5.4. Кольцевая КС:

1 - наружный корпус; 2 - внутренний корпус; 3 - жаровая труба; 4 - направляющий аппарат компрессора; 5 - кольцо диффузора наружное; 6 - наружная стенка жаровой трубы; 7 - внутренняя стенка жаровой трубы; 8 - фронтовая плита; 9 - подвеска жаровой трубы; 10 - пояс системы охлаждения; 11 - отверстия перфорации; 12 - отверстия подвода воздуха в первичную зону; 13 - отверстия зоны смешения; 14 - козырек; 15 - втулка;

16 - топливная форсунка; 17- топливный коллектор; 18 - полость отборов воздуха;

19 - фланец отбора воздуха; 20 - внутренняя стенка наружного корпуса; 21 - сопловой аппарат турбины

От перемещения вдоль оси двигателя жаровая труба зафиксирована подвесками 9. Стенки жаровой трубы изготовлены точением. Воздух на охлаждение стенок подается через несколько поясов отверстий 10. Кроме того, для местного охлаждения в стенках имеется перфорация 11 из мелких отверстий. Для организации горения воздух в жаровую трубу поступает во ФУ, в отверстия 12 первичной зоны и отверстия 13 зоны смешения. Для увеличения пробивной способности струй воздуха в отверстия установлены козырьки 14 и втулки 15. Топливо в КС подается через форсунки 16 с воздушным pacпылом. Топливо к форсункам поступает по коллекторам 17. Наружное кольцо диффузора образует вместе с наружным корпусом полость 18, из которой через фланцы 19 отбирается воздух.

Наружный корпус КС имеет двойную стенку. Внутренняя стенка 20 образует проточную часть КС и предохраняет наружную стенку от потока тепла от горячей жаровой трубы. Наружная стенка корпуса - силовая. Она воспринимает усилия от внутреннего давления и осевых сил. Между стенками корпуса проходит воздух, отбираемый из КС, на охлаждение турбины.

Кроме рассмотренных основных схем существует большое количество КС, которые имеют особенности конструкции для удовлетворения требований, предъявляемых к конкретной КС.

Так, по конструкции ФУ жаровых труб различают КС испарительные и многофорсуночные .

Испарительные КС отличаются от обычных только наличием специального испарительного устройства, в которое форсункой подается топливо и небольшое количество воздуха, чтобы TBC не воспламенилась в испарительном устройстве.

В зависимости от направления проходящего через КС потока, они делятся на прямоточные , (все рассмотренные выше) и противоточные , в которых поток меняет свое направление.

В промышленных ГТД широкое применение находят трубчато-кольцевые КС, поскольку в данном случае одно из первых мест занимает требование по эксплуатационной технологичности (возможности замены узлов КС в эксплуатации вплоть до замены жаровых труб).

5.3. Основные конструктивные элементы КС

КС состоит из следующих основных конструктивных и функциональных элементов: диффузора, жаровых труб, форсунок, корпусов, системы зажигания. Несмотря на общность функций, существует большое разнообразие конструктивных исполнений КС и составляющих элементов. Каждое техническое решение имеет объективные обоснования. Немаловажное значение имеют традиции и опыт фирм-разработчиков.

Конструкцию КС разрабатывают на основе выбранной схемы и исходных данных. К исходным данным относятся:

Данные, определенные проектировочным расчетом КС;

Параметры диффузора;

Размеры жаровой трубы и воздушных каналов;

Количество форсунок;

Расположение основных отверстий для подвода воздуха в жаровую трубу;

Распределение воздуха по жаровой трубе;

Присоединительные размеры проточной части и корпусов компрессора и турбины;

Силовая схема двигателя (расположение подшипниковых опор);

Схема вторичных потоков двигателя (прохождение через КС трубопроводов, обеспечивающих работу опор двигателя, системы охлаждения и др.);

Требования к креплению двигательных агрегатов и узлов на корпусе КС.

5.3.1. Диффузор

Диффузор представляет собой расширяющийся канал, в котором скорость потока снижается и часть кинетической энергии преобразуется в потенциальную, что выражается приростом статического давления.

Диффузоры должны удовлетворять следующим требованиям:

Иметь минимальные гидравлические потери;

Иметь минимальную длину;

Обеспечивать устойчивое поле скоростей и давлений перед входом в жаровую трубу (т.е. отсутствие отрыва потока).

В трубчатых КС диффузоры выполняются в виде индивидуальных для каждой жаровой трубы патрубков с изоградиентным увеличением площади проходного сечения.

В трубчато-кольцевых и кольцевых КС ранее применялись диффузоры 1 в виде профилированных кольцевых каналов, образованных наружным 2 и внутренним 3 корпусами КС, также с изоградиентным изменением площади (рис. 5.5, а). Такие диффузоры обеспечивают наименьшие потери полного давления, наиболее равномерное поле скоростей на выходе, но имеют достаточно большую длину. Еще одним недостатком таких диффузоров является то, что они не могут работать без отрыва потока на всех режимах работы двигателя.

Для обеспечения требуемых расходов воздуха в каналах кольцевых КС и одинакового перепада давления на наружной и внутренней стенках жаровой трубы перед входом в жаровую трубу 4 в диффузорах кольцевых КС устанавливают обтекатели 5, которые разделяют поток по наружному и внутреннему кольцевым каналам (рис. 6.29, б), или выполняют двухканальные диффузоры с разделителем 6 потока (рис. 6.29, в).

Рис. 5.5. Диффузоры КС:

а - с изоградиентным изменением площади; б - с разделителем потока;

в - двухканальный с фиксированным отрывом потока;

1 - диффузор; 2 - корпус наружный; 3 - корпус внутренний; 4 - жаровая труба;

5 - обтекатель; 6 - разделитель потока

В современных конструкциях КС все большее предпочтение стали отдавать ступенчатым диффузорам. Такой диффузор имеет два характерных участка (рис. 5.5, г): относительно короткий участок с плавным расширением проточной части - преддиффузор 1 (участок с безотрывным течением) и участок с внезапным расширением 2 (участок со стабилизированным отрывом потока). К преимуществам ступенчатого диффузора по сравнению с обычным плавным диффузором можно отнести его небольшую длину и слабую чувствительность к изменению структуры потока на входе. При этом, однако, он имеет несколько повышенные потери.

5.3.2. Жаровая труба

После выбора схемы КС при выполнении проектировочных расчетов определяются основные параметры жаровой трубы, которые служат исходными данными для разработки её конструкции. К ним относятся:

Объем жаровой трубы;

Распределение воздуха по длине жаровой трубы (площади проходных сечений фронтового устройства, количество и размеры отверстий зоны горения и смешения, количество поясов охлаждения и количество отверстий по поясам);

Количество форсунок и фронтовых устройств;

Тип фронтового устройства;

Тип системы охлаждения.

Жаровая труба в трубчатых и трубчато-кольцевых КС как правило состоит из двух частей - собственно жаровой трубы и газосборника (рис. 5.6).

Рис. 5.6 Жаровая труба:

а – тубчато-кольцевой КС: 1 - фронтовое устройство; 2 - обтекаемая головка;

3 - система охлаждения; 4 - отверстия подвода воздуха в зону горения и смешения;

5 - кронштейн; 6 - пламеперебрасывающий патрубок;

б – кольцевой КС: - фронтовое устройство; 2 - наружная кольцевая стенка; 3 - внутренняя кольцевая стенка; 4 - фронтовая плита; 5 - обтекатель; 6 - отверстия подвода воздуха в зону горения и смешения; 7-кронштейн.

В передней части жаровой трубы расположено ФУ 1 (рис. 5.6, а). Далее по длине жаровой трубы располагается обтекаемая головка 2, за ней стенка, состоящая из секций и гофрированных колец, сваренных между собой точечной сваркой.

В конструкции жаровой трубы применена пленочная система охлаждения. На поверхности жаровой трубы выполняют отверстия для подвода воздуха в зону горения и в зону смешения. От осевых перемещений жаровая труба фиксируется за корпус КС с помощью кронштейна 5. Кронштейн расположен в передней части рядом с ФУ и форсункой, чтобы уменьшить влияние тепловых перемещений жаровой трубы относительно форсунки для обеспечения стабильных параметров распыла и перемешивания топлива с воздухом в ФУ. Для переброса пламени из одной жаровой трубы в другую в момент розжига трубы соединены между собой пламеперебрасывающими патрубками 6 и муфтами.

Газосборники в трубчатых КС выполняют для каждой жаровой трубы отдельно, а в трубчато-кольцевых КС они могут быть как отдельными, так и кольцевыми, в которые вставляются все жаровые трубы двигателя по кольцу. Для компенсации температурных расширений жаровые трубы соединяются с газосборником с помощью телескопического соединения. Задним фланцем газосборники обычно крепятся за корпус первого соплового аппарата турбины. Стенки газосборника оснащают системой охлаждения.

Жаровая труба (рис. 5.6, б) состоит из фронтового устройства 7, наружной 2 и внутренней 3 кольцевых стенок, фронтовой плиты 4. Для снижения гидравлического сопротивления и необходимого распределения воздуха по кольцевым каналам в передней части жаровой трубы расположен обтекатель 5.

На стенках выполнена система охлаждения. На наружной и внутренней стенках выполнены отверстия 6, для подвода воздуха в зоны горения и смешения. От осевых и радиальных перемещений жаровая труба закрепляется за корпус КС с помощью нескольких кронштейнов 7. Соединение с корпусом coплового аппарата выполняется телескопическим для компенсации тепловых расширений.

Для изготовления жаровых труб и газосборников применяют следующие материалы:

Нержавеющую сталь - до температуры 800 °С;

Жаростойкие сплавы на никелевой и хромистой основе - до температуры 900...1100 °С.

5.3.2.1. Фронтовые устройства

Практически все известные КС имеют свои, отличающиеся по конструкции ФУ.

Классическими примерами ФУ в виде плохо обтекаемых тел являются щелевая головка жаровой трубы 1 и конические насадки 2, устанавливаемые в передней части жаровой трубы (рис. 5.7). Такие ФУ имеют повышенные гидравлические сопротивления, в них недостаточно полно происходит смесеобразование, вследствие чего получаются сравнительно невысокая полнота сгорания и высокий уровень эмиссии.

Одним из способов получения в первичной зоне КС однородной TBC является использование испарительных ФУ (см. рис. 5.7).

В ФУ с осевым 4 или радиальным 5 лопаточными завихрителями (см. рис. 5.7) размеры зоны обратных токов определяются степенью крутки потока. Степень крутки потока зависит от скорости истечения воздуха из завихрителя и угла установки лопаток. Гидравлические потери в завихрительных ФУ значительно ниже, чем в щелевых и конусных.

Рис. 5.7. Фронтовые устройства КС:

1 - щелевая головка; 2 - конический насадок; 3 - испарительное ФУ;

4 - осевой лопаточный завихритель; 5 - радиальный лопаточный завихритель;

6 - комбинированное завихрительное ФУ; 7 - струйный завихритель; 8 - сопловой насадок

В настоящее время в КС в основном применяются комбинированные 6 завихрительные ФУ. В них помимо функции стабилизации пламени обеспечивается предварительная подготовка TBC (распыливание, смешение до нужной концентрации и степени однородности).

Современные завихрительные ФУ состоят из двух и более осевых, струйных 7 и (или) радиальных завихрителей и сопловых насадков 8 различной конфигурации (рис. 5.7). С помощью таких ФУ можно обеспечить практически все предъявляемые в настоящее время требования.

Одно из основных требований к КС, которое обеспечивается в основном с помощью ФУ - широкие пределы устойчивого горения.

Принцип работы ФУ рассмотрим на примере работы типичного ФУ, образованного лопаточным завихрителем 7 и переходным конусом 2 между завихрителем и цилиндрической частью жаровой трубы. Схематично структура потока, образующаяся за подобным ФУ, показана на рис. 5.8.

Физическая основа стабилизации пламени заключается в создании в головной части жаровой трубы зоны пониженного давления, которая образуется за счет эжекции газа конической струей воздуха 3, созданной завихрителем. Отток газа изнутри конической струи компенсируется его добавлением из участков, расположенных несколько дальше от ФУ. Вследствие этого образуется зона обратных токов 4, в которой часть горячих газов движется навстречу основному потоку воздуха. Распыленное топливо 5 подается форсункой 6 в зону обратных токов.

Рис. 5.8. Структура потока и стабилизация пламени за фронтовым устройством камеры ГТД:

1 - лопаточный завихритель; 2 - переходный конус; 3 - коническая струя воздуха;

4 - зона обратных токов; 5 - топливный конус; 6 - форсунка; 7 - зона стабилизации пламени; 8 - граница зоны обратных токов; 9 - эпюра осевых скоростей;

10 - эпюра давлений; 11 - линии токов

Структура потока в головной части жаровой трубы, представленная на рис. 5.8 с помощью эпюры скоростей 9, эпюры давлений 10 и линий токов 77, как при холодной продувке, так и на работающей КС качественно одинакова.

5.4. Топливные форсунки

Среди большого многообразия конструкций форсунок наибольшее распространение в основных КС ГТД получили центробежные форсунки.

Схема простейшей центробежной форсунки приведена на рис. 5.9.

Рис. 5.9. Схема центробежной форсунки:

1 - тангенциальные каналы; 2 - камера закручивания;

3 - сопло; 4 - воздушный вихрь

Топливо в такой форсунке поступает в тангенциальные каналы 1 камеры закручивания 2 и приобретает начальную закрутку. В камере закручивания при уменьшении диаметра крутки увеличивается окружная составляющая скорости, возникают значительные центробежные силы. В выходном сопле 3 образуется тонкая пленка кольцевого сечения, которая на выходе из форсунки распадается на мельчайшие капли, создающие коническую пелену распыленного топлива. Вдоль оси форсунки при этом образуется воздушный (газовый) вихрь 4. Чем выше скорость топлива на выходе из сопла форсунки, тем более мелкими получаются капли, и тем caмым достигаются более выгодные условия для создания однородной TBC.

Величина скорости топлива на выходе из сопла определяется перепадом давления на форсунке. В общем виде перепад давления и расход топлива через форсунку связаны соотношением:

G T = K (Δ P ) 0,5

где К - коэффициент расхода, учитывающий геометрические параметры форсунки и размерность величин G T и Δ P ,

Δ P - перепад давления на форсунке.

Применяемые в настоящее время топливные насосы обеспечивают максимальное давление перед форсунками, примерно равное 75...80 кг / см 2 .

Пример конструкции центробежной двух-контурной двухсопловой форсунки двигателя ПС-90А приведен на рис. 5.10.

Рис. 5.10. Форсунка:

1 - корпус форсунки; 2 - стакан; 3 - кожух обдува торцев распылителей; 4 - распылитель второго контура;

5 - распылитель первого контура; 6 - переходник-распылитель топлива;

7 - уплотнительное кольцо;

8 - трубка; 9 - втулка; 10- втулка; 11 - пайка; 12 - уплотнительное кольцо; 13 - теплоизоляция;

14 - кожух теплозащитный;

15 - штуцер первого контура;

16 - штуцер второго контура;

17- топливные фильтры;

18 - топливный канал первого контура; 19 - топливный канал второго контура

Форсунка состоит из корпуса 7, стакана 2, сваренного с кожухом 3, который направляет воздух для обдува торцев распылителей. Стакан с помощью резьбы прижимает к корпусу с большим моментом затяжки пакет элементов подачи топлива: распылитель 4 второго контура, распылитель 5 первого контура, переходник-распределитель 6 топлива и уплотнительное кольцо 7. Резьбовое соединение загерметизировано электронно-лучевой сваркой. Разделение топливных каналов внутри корпуса выполнено при помощи трубки 8 и втулок 9 и 10. Уплотнение трубки 8 и втулки 9 с корпусом сделано высокотемпературной пайкой 77, а втулки 10 - аргонно-дуговой сваркой и уплотнительным кольцом 12 из терморасширенного графита. Корпус форсунки снаружи теплоизолирован стеклотканью 13, которая защищена от воздушного потока кожухом 14. В штуцерах 15 и 16 соответственно первого и второго контура установлены фильтры 17. Для исключения коксования топлива в малорасходном первом контуре его канал 18 практически на всем протяжении выполнен внутри канала 19 большерасходного второго контура.

5.5. Системы зажигания ГТД

Для воспламенения TBC в КС двигателя применяется система зажигания.

Система зажигания обеспечивает:

Первоначальное воспламенение TBC при запуске двигателя;

Подвод тепловой энергии к TBC при работе в тяжелых климатических условиях (осадки, туман, сильный ветер и т.п.), на максимальных или аварийных режимах, а также по командам с пульта управления.

Система зажигания двигателя состоит, как правило, из одного - двух агрегатов зажигания (рис. 5.11), двух свечей (рис. 5.12), низковольтных и высоковольтных проводов с устройствами их подключения к агрегатам и свечам зажигания.

Рис. 5.11. Агрегат зажигания:

1 - соединитель «Питание»; 2 - соединитель «Контроль»; 3 - разъемы для подключения высоковольтных проводов; 4 - кронштейн; 5 - корпус; 6 - крышка

Кроме общих требований к системам зажигания предъявляются дополнительные требования:

Надежность воспламенения TBC в заданной области эксплуатации;

Взрывобезопасность.

Рис. 5.12. Свеча зажигания в защитном кожухе:

1 - центральный электрод; 2 - боковой электрод; 3 - изолятор; 4 - корпус свечи зажигания; 5 - шестигранник; 6-защитный кожух; 7 - фланец; 8 - разрядная полость; 9 - отражатель кожуха; 10 - окно для забора воздуха

Всего в мире производится более 190 типов систем зажигания, которые можно классифицировать следующим образом:

По назначению (для запуска двигателя на земле и в полете);

По принципу действия (емкостные, плазменные, лазерные);

По питающему току (на постоянном токе, на переменном токе);

По источнику питания (от автономного источника питания - электромашинный генератор или аккумуляторная батарея);

По режиму работы (длительный, повторно-кратковременный, двухрежимный с различными уровнями разрядной энергии);

По величине напряжения, поступающего от агрегата зажигания на свечи (низковольтные - выходное напряжение агрегата зажигания от 2 до 10 кВ, высоковольтные - выходное напряжение агрегата зажигания более 10 кВ);

По накопленной энергии (малой энергии - до 10 Дж, большой энергии - более 10 Дж);

По количеству каналов (одноканальные, двухканальные);

По типу используемых свечей зажигания (со свечами накаливания, с искровыми свечами);

По способу включения свечей зажигания в разрядную цепь (с параллельным включением свечей зажигания, с последовательным включением свечей зажигания);

По способу воспламенения камеры сгорания (с воспламенением КС непосредственно от свечи зажигания - с непосредственным воспламенением, с воспламенением КС пусковым воспламенителем);

По способу получения искрового разряда (с разрядником; с тиристорным коммутатором энергии);

По управляемости агрегата зажигания (управляемый, со встроенной системой контроля, неуправляемый);

По типу разряда свечи зажигания (колебательный, апериодический).

Системы зажигания некоторых ГТД имеют в своем составе пусковые воспламенители (рис. 5.13).

Рис. 5.13. Воспламенитель:

1 - свеча зажигания; 2 - форсунка; 3 - камера сгорания

Пусковой воспламенитель состоит из свечи 1 зажигания, форсунки 2 и камеры 3 сгорания, собранных в одном корпусе. Распыленное форсункой топливо смешивается в камеpe сгорания воспламенителя с воздухом, полученная TBC поджигается от свечи зажигания.

Образованный пусковым воспламенителем факел пламени направляется в КС двигателя. Эффективность работы воспламенителя зависит от места его расположения на КС, а также от температуры и глубины проникновения факела внутрь жаровой трубы. Пусковой воспламенитель устанавливается таким образом, чтобы его факел попадал в область жаровой трубы, где концентрация топлива достаточно высокая, а скорость слоя сносящего потока воздуха наименьшая.

PAGE \* MERGEFORMAT 12

Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.вшм>
5619.		Влияние теплообмена в тракте газовода закрытой схемы ЖРД на параметры потока перед форсуночной головкой камеры сгорания	4.77 MB
	Цель работы: Выполнить расчет газодинамических параметров в тракте газовода при различных значениях среднерасходной скорости потока. Выявить влияние теплообмена на профиль скорости и распределение давления перед газораспределительной решеткой и форсуночным блоком. Сравнение значений скорости и статического давления производился в сечениях...
15532.		Расчет камеры жидкостного ракетного двигателя	790.54 KB
	Конструктивные схемы выполненных камер многообразны. В современных ЖРД преимущественное применение получили цилиндрические камеры сгорания, которые в сочетании с плоской смесительной головкой позволяют осуществить процесс создания тяги при высокой расходонапряженности с одновременной организацией надежной системы топливной защиты и обеспечением требуемых термопрочностных характеристик. Указанная конструкция камер достаточно технологична в изготовлении.
7639.		Процесс сгорания в карбюраторных двигателях и дизелях	387.19 KB
	Процесс сгорания в карбюраторных двигателях Этот процесс происходит в действительности не при постоянном объеме но близко к этим условиям. Процесс сгорания на индикаторной диаграмме можно разделить на 3 фазы. Скорость сгорания зависит от свойств топлива.
11320.		ТЕПЛОВОЙ И ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ	240.88 KB
	Бензиновые двигатели с впрыском топлива и принудительным воспламенением рабочей смеси в зависимости от организации процесса смесеобразования и их конструктивных особенностей могут сочетать в себе положительные свойства и карбюраторных двигателей и дизелей.

Геометрические размеры камер двигателей устанавливаются из условия обеспечения заданной тяги при возможно больших значениях удельной тяги, т.е. при возможно большем использовании энергии, содержащейся в топливе.

Объём камеры определяется по времени пребывания в камере топлива и газообразных продуктов – τ пр. . оно должно быть достаточным для полного завершения процесса в камере сгорания.

Объём камеры сгорания определяется по формуле

Где - весовой секундный расход газа;

R – газовая постоянная продуктов сгорания;

Т о и Р о температура и давление газов в камере.

Другим параметром, использующимся для определения объёма, является приведённая длина – L пр. - , где F кр – площадь критического сечения сопла.

Для окончательного определения размеров камеры необходимо кроме V k знать диаметр камеры d o или безразмерную площадь f k = F o /F кр . Обычно принимают f k ≥ 3. Ориентировочно диаметр камеры для азотно-кислотных двигателей определяется по зависимости d o = (2,5…3)d кр , а для спиртово-кислородных d o = (2,5…2,5)d кр .

Форма камеры сгорания может быть шарообразная (грушевидная, например, на двигателе «Фау-2»), цилиндрическая (на двигателях современных ракет-носителей) и коническая (практически не применяется).

Достоинства шарообразной камеры сгорания в том, что

1. при заданном объёме поверхность у неё наименьшая, что уменьшает вес камеры сгорания и облегчает охлаждение;

2. эти камеры сгорания более прочные по сравнению с цилиндрическими камерами.

Недостатки шарообразной камеры сгорания в том, что

1. она сложна в изготовлении;

2. имеет малую площадь для размещения форсунок и поэтому форсунки размещают в форкамерах, что усложняет технологию изготовления камеры сгорания.

Цилиндрические камеры сгорания удобны и просты в изготовлении. В них легко осуществляется процесс смесеобразования. Недостатки камеры сгорания в том, что прочностные свойства ниже, чем у шарообразной камеры и больше поверхность для охлаждения.

Коническая камеры сгорания представляет собой входную часть сопла и поэтому проста в изготовлении. Основным недостатком камеры является низкая удельная тяга, так как вследствие разгона продуктов сгорания по длине камеры и падения давления незавершается процесс горения.

Подготовка горючего и окислителя к сгоранию осуществляется в процессе смесеобразования: компоненты топлива распыляются , перемешиваются и частично испаряются . Для лучшего смесеобразования необходимо обеспечить:

1. тонкость распыла компонентов и хорошее их перемешивание (характеризуется диаметром капелек – 25…250 мк);

2. однородность концентрации топлива по поперечному сечению камеры (уменьшаются потери из-за физической неполноты сгорания);

3. равномерные скорости движения по поперечному сечению камеры сгорания, т.к. при больших скоростях горение неполное, а при малых скоростях не полностью используется объём камеры.

Выполнить эти условия можно подбором соответствующе головки камеры, типом форсунок и расположением их на головке.

В ЖРД применяются головки плоские, сферические с предкамерами и шатровые .

Плоские головки (рис. 10)применяют для цилиндрических или конических камер сгорания. Они имеют простую конструкцию и в сочетании с цилиндрическими камерами обеспечивают однородность поля скоростей и концентрации топлива по поперечному сечению. Их недостаток – малая прочность и жесткость. На плоских головках форсунки размещают 3 способами: шахматное расположение; концентричное и сотовое. Сотовое расположение обеспечивает лучший процесс смесеобразования, так как на одну форсунку горючего приходится 6 форсунок окислителя. Возможно сочетание концентричного расположения форсунок с шахматным и сотовым.

Сферические головки с предкамерами применяются для грушевидных или сферических камер сгорания («Фау-2», 8К52), т.е. для двигателей больших тяг. Форсунки у них находятся в предкамерах: в центре ставится форсунка «О» с большим числом отверстий, расположенных под различными углами к оси предкамеры, а форсунки «Г» размещаются на боковой поверхности предкамеры.

Шатровые головки сложны в изготовлении, и в них трудно организовать хорошее смесеобразование.

От типа форсунок и их конструкции зависит качество распыла. По принципу действия форсунки разделяются на две группы:

1. струйные форсунки (разновидность - щелевые);

2. центробежные форсунки - тангенциальные и шнековые (с завихрителями).

Форсунки могут быть однокомпонентными и двухкомпонентными.

Струйные форсунки рис.11 наиболее просты в изготовлении. Основные недостатки струйных форсунок в грубом распыле топлива, малом угле конуса распыла (≈10…15 о) и большой дальнобойности струи, увеличивающей зону распыла и удлиняющей камеру сгорания.

В центробежных форсунках создаётся искусственная закрутка компонента. В тангенциальной форсунке жидкость поступает через отверстие, ось которого перпендикулярна к оси форсунки, но не пересекается с ней. Центральная часть такой форсунки не заполнена жидкостью – в ней находится газовый вихрь, а жидкость расположена по переферии.

В шнековой форсунке закрутка осуществляется шнеком, имеющим на своей поверхности винтовые каналы.

Центробежные форсунки обеспечивают большой угол распыла (≈70…120 о) при небольшой длине факела распыла.

Двухкомпонентные форсунки позволяют улучшить смесеобразование, так как обеспечивают смешение компонентов в жидкой фазе, но они сложны в производстве, и применяются в том случае, когда недостаточно места для размещения.

5. Геометрические размеры и форма сопла.

Продукты сгорания, образовавшиеся в камере двигателя, поступают в сопло, где происходит превращение тепловой энергии в кинетическую энергию движения газов.

Состояние продуктов сгорания, как и всякого газа, характеризуется вполне определёнными физическими величинами (параметрами), главные из которых:

абсолютное давление Р , абсолютная температура Т , плотность ρ (удельный вес γ или удельный объём υ ), газовая постоянная R и скорость истечения W .

Для идеальных газов или их смесей установлена связь между основными параметрами в виде уравнения состояния: (1)

Процесс в камере двигателя происходит без подвода тепла к газу и отвода его от газа. Такой процесс называется адиабатическим. Для адиабатического процесса между параметрами существует связь, выражающаяся зависимостями:

Газ из камеры поступает в сопло. Из уравнения энергии установлено, что зависимость между скоростью газа и сечением канала выражается уравнением , (3)

где М=W/a (a – скорость звука).

Свойства газового потока зависят от скорости звука. При адиабатическом процессе скорость звука определяется по формуле . Сечение, где скорость газа равна скорости звука, называют критическим и все параметры потока называют также критическими . Равенство двух скоростей можно получить только при определённом соотношении давления в камере и на срезе сопла: . Это соотношение является исходным параметром при проектировании сопла и связано с соотношением S a /S кр, которое называют уширением сопла .

Сверхзвуковые скорости продуктов сгорания можно получить при помощи сопла Лаваля (сверхзвуковое сопло), представляющего собой канал, сечение которого сначала уменьшается, а затем увеличивается (см. формулу сопла – уравнение (3))

Как следует из формул (1,2,3)параметры газового потока по длине сопла изменяются следующим образом рис.14.

Камеры сгорания дизельных двигателей

Для хорошего смесеобразования одновременно крайне важно правильно сочетать распыливание топлива и движение воздуха в камере сгорания. Это позволит улучшить распределœение топлива в камере и осуществить процесс сгорания при наименьшем количестве воздуха.

Форма камеры сгорания должна:

• соответствовать направлению и дальнобойности струи впрыскиваемого топлива;
• обеспечивать организованное движение потока воздуха, интенсивное перемешивание топлива и воздуха, полное сгорание топлива в короткий период при наименьшем количестве воздуха;
• плавное нарастание давления в цилиндре, умеренное максимальное давление при сгорании и минимальные тепловые потери;
• создавать условия для облегченного запуска двигателя.

По конструкции дизельные двигатели разделяются на две основные категории: с неразделœенными и разделœенными камерами сгорания. Неразделœенные камеры имеют только одно отделœение, в котором происходит и смесеобразование, и сгорание топлива. Разделœенные камеры разделœены на две части: основную и дополнительную, соединœены между собой горловиной. При этом топливо впрыскивается в дополнительную камеру.

По способу различают объёмное, пленочное и комбинированное смесеобразование.

При объёмном смесеобразовании топливо распыливается в объёме камеры сгорания и лишь небольшая часть его попадает в пристеночный слой. Объемное смесеобразование осуществляется в неразделœенных камерах сгорания.

Пленочное смесеобразование применяется в ряде конструкций камер сгорания, когда почти всœе топливо направляется в пристеночную зону. В центральную часть камеры сгорания попадает приблизительно 5–10% впрыскиваемого форсункой топлива. Остальная часть топлива распределяется на стенках камеры сгорания в виде тонкой пленки (10–15 мкм). Первоначально воспламеняется часть топлива, попавшая в центральную часть камеры сгорания, где обычно отсутствует движение заряда и устанавливается наиболее высокая температура. В дальнейшем, по мере испарения и смешения с воздухом, горение распространяется на основную часть топлива, направленную в пристеночный слой. При пленочном смесеобразовании требуется менее тонкое распыливание топлива. Применяют форсунки с одним сопловым отверстием. Давление впрыска топлива не превышает 17–20 МПа. Пленочное смесеобразование по сравнению с объёмным обеспечивает лучшие экономические показатели двигателя, упрощает конструкцию топливной аппаратуры. Основным недостатком являются низкие пусковые свойства двигателя при низких температурах в связи с малым количеством топлива, участвующего в первоначальном сгорании. Этот недостаток устраняют путем подогрева воздуха на впуске или за счёт увеличения количества топлива, участвующего в образовании начального очага сгорания.

Комбинированное смесеобразование получается при меньших диаметрах камеры сгорания, когда часть топлива достигает ее стенки и концентрируется в пристеночном слое. Другая часть капель топлива располагается во внутреннем объёме заряда. На поверхности камеры осœедает примерно 50% топлива. При впуске в камере не создается вращательного движения заряда. Заряд приводится в движение при вытеснении его из надпоршневого пространства в камеру сгорания, и создается вихрь. Скорость движения заряда достигает 40–45 м/с. Отличительной особенностью от пленочного смесеобразования является встречное движение струй топлива и заряда, вытесняемого из надпоршневого пространства, что способствует увеличению количества топлива, взвешенного в объёме камеры сгорания, и сближает процесс с объёмным смесеобразованием. Форсунки применяют с распылителями, имеющими 3–5 сопловых отверстий.

Камеры сгорания с непосредственным впрыском. В дизельных двигателях с такими камерами топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания форсункой с рабочим давлением 15–30 МПа, имеющей многодырчатые распылители (5–7 отверстий) с малым диаметром сопловых каналов (0.15–0.32 мм). Столь высокие давления впрыска применяются ввиду того, что в данном случае распыливание топлива и перемешивание его с воздухом достигается главным образом за счёт кинœетической энергии, сообщаемой топливу при впрыске. Для равномерного распределœения топлива в камере форсунки таких двигателœей часто выполняют с несколькими отверстиями.

На рис. 6.4 показаны камеры сгорания двигателœей с непосредственным впрыском, обеспечивающие объёмное смесеобразование.

Рис. 6.4. Неразделœенные камеры сгорания для объёмного смесеобразования:

а – полусферическая, б – тороидальная

Рис. 6.6. Неразделœенные камеры сгорания для пленочного смесеобразования:

а – типа дизелœей МАН, б – типа “Гессельман”

Кроме указанной выше, при пленочном смесеобразовании камеру сгорания выполняют тарелкообразной (рис. 6.6б). Струя топлива из форсунки, ввиду малого расстояния, достигает дна камеры и осœедает в виде пленки.

Струи топлива попадают на стенку под острым углом и совершают сравнительно малый путь. На конической поверхности камеры осœедает примерно 50% топлива.

Основное достоинство камер сгорания с непосредственным впрыском по сравнению с камерами других разновидностей состоит в следующем.

1. Простая и компактная форма камеры сгорания обеспечивает меньшие тепловые потери в процессе сгорания и более высокий эффективный КПД.

2. Менее интенсивное охлаждение воздуха в период сжатия (компактность камеры и сравнительно небольшое вихревое движение воздуха) создает условия для облегчения пуска. Время для пуска двигателя с непосредственным впрыском в 1.8–3.6 раза меньше, чем для пуска двигателœей с другими камерами сгорания.

3. Конструкция головки цилиндра упрощается.

Недостатки камер сгорания с непосредственным впрыском состоят в следующем.

1. Смесеобразование происходит при больших давлениях впрыска (до 30 МПа). Это повышает требования к топливоподающей аппаратуре.

2. Процесс сгорания характеризуется значительными давлениями. Скорость нарастания давления при этом высокая. В связи с увеличением нагрузки на кривошипно-шатунный механизм приходится увеличивать запас прочности узлов двигателя.

3. Малые сопловые отверстия распылителя форсунки (0.1–0.25 мм) требуют точного исполнения и при недостаточно очищенном топливе могут засоряться. По этой причине топливо должно очищаться с большой тщательностью. Незначительные отклонения в качестве топлива от нормы ухудшают работу двигателя.

Предкамеры. Предкамерные дизельные двигатели имеют камеру сгорания, разделœенную на две части (рис. 6.8). Основная камера размещается непосредственно над поршнем. Ее объём составляет 0.75–0.60отвсœего объёма камеры сгорания. Предкамера выполняется в головке цилиндра. Она занимает по объёму 0.25–0.40 всœего объёма камеры. Предкамера соединяется с основной камерой одним или несколькими каналами.

При этом сгорает от 20 до 30% впрыскиваемого топлива, что соответствует количеству кислорода воздуха, содержащегося в предкамере.

При сгорании части топлива температура и давление в предкамере повышаются. Горящие газы и несгоревшее топливо устремляются из предкамеры в основную камеру. Здесь сгорание топлива продолжается и заканчивается в процессе расширения.

В предкамерных двигателях интенсивное смесеобразование достигается главным образом за счёт энергии топлива, частично сгоревшего в предкамере. Эта энергия вызывает перепад давления между предкамерой и основной камерой (обычно 1.5 МПа), что создает условия для интенсивного смесеобразования и более тонкого распыления топлива, предварительно распыленного в предкамере.

Смесеобразованию способствует образование вихревых движений воздуха при перемещении его в процессе сжатия из основной камеры в предкамеру. Форсунка таких двигателœей обычно выполняется с одним отверстием.

Вихревые камеры. Двигатели с вихревыми камерами, как и предкамерные двигатели, имеют камеру, разделœенную на две части (рис. 6.9). Основная камера расположена непосредственно над поршнем и имеет сравнительно небольшой объём. Вихревая камера выполнена в головке цилиндра, имеет обтекаемую форму (шара или сплющенного шара) и охлаждается водой. Ее объём составляет от 50 до 75% всœего объёма камеры сгорания. Такой объём позволяет вовлечь в вихревое движение большое количество воздуха. Вихревая камера сообщается с основной посредством горловины.

В период сгорания в вихревой камере резко повышается давление. При этом продукты сгорания и несгоревшая часть топлива устремляются в основную камеру. Здесь процесс сгорания продолжается, заканчиваясь при расширении.

В двигателях с вихревыми камерами для смесеобразования используются главным образом вихревые потоки воздуха, создаваемые в процессе сжатия в вихревой камере. Перепад давлений между камерами сравнительно небольшой (обычно 0.6 МПа). Форсунки у таких двигателœей применяются обычно с одним отверстием. Давление начала подачи составляет 8–10 МПа.

В дизельных двигателях с разделœенными камерами сгорания достигается бездымная работа при малых значениях коэффициента избытка воздуха. Значительно снижаются требования к качеству распыливания топлива, и применяются форсунки закрытого типа с одним сопловым отверстием большого диаметра (1–2 мм). Давление впрыска топлива составляет 12–15 МПа, и обеспечивается мягкая работа двигателя. Эти дизельные двигатели являются наиболее быстроходными из всœех дизелœей.

Основные недостатки раздельных камер сгорания:

Камеры сгорания дизельных двигателей - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Камеры сгорания дизельных двигателей" 2017, 2018.

Метод впрыска топлива, его степень сжатия и геометрия камеры сгорания – три основных фактора, влияющих на качество смесеобразования. В конечном счете, мощность и шумность «дизеля» зависят от того, насколько равномерно смесь распределяется внутри камеры. Различают два основных класса дизельных двигателей: моторы с разделенной камерой сгорания и с неразделенной.

«Дизели» первого из указанных типов обычно применяются в легковом транспорте. Для мотора небольшого объема характерно наличие разделенных камер сгорания, где впрыск осуществляется в дополнительную полость, расположенную в головке блока цилиндров. В свою очередь, здесь надо различать два разных метода смесеобразования: форкамерный (предкамерный) и вихрекамерный.

Разделенная

В ходе вихрекамерного, равно как и форкамерного процесса сгорания, дизтопливо поступает в предварительную камеру, где перемешивается с воздухом и воспламеняется. Если камера выполнена в форме сферы, воздух может интенсивно закручиваться, образуя вихрь. А форкамерная конструкция предусматривает наличие тонких каналов, при прохождении которых смесь становится однороднее.

Как видим, в разделенной камере любого типа топливо сгорает «в два шага». Это способствует снижению нагрузки на поршневую группу. Недостатком же являются не лучшие пусковые качества и увеличение расхода топлива, возникающее из-за дополнительных затрат на перекачивание смеси между камерами.

Различия между форкамерным и вихрекамерным процессами:

В первом случае смесь становится однороднее во время перекачивания, то есть, после воспламенения;
- Во втором случае, как можно заметить, однородность смеси гарантируется наличием вихря, а интенсивное перемешивание происходит до воспламенения.

Неразделенная

«Дизель» с неразделенной камерой сгорания всегда оснащается системой непосредственного впрыска. Такие двигатели, разумеется, намного экономичнее моторов любой другой конструкции. Но применение прямого впрыска на «дизелях» с большой частотой вращения коленвала влечет множество разнообразных проблем. Основными из них являются вибрация и шум, которые становятся наиболее заметными в процессе разгона.

Все камеры сгорания в принципиальном плане похожи друг на друга, однако существует их деление по определенным, достаточно существенным признакам. Один из принципов классификации камер сгорания ГТД - это деление их по общей компоновке . Сегодня существует три типа компоновок: трубчатая (или индивидуальная), трубчато-кольцевая и кольцевая.

Конструктивные схемы камер сгорания. а — трубчатая, б — трубчато-кольцевая, в — кольцевая.

Трубчатая (индивидуальная) камера сгорания несколько выбивается из приведенного выше определения ее как кольца с двумя корпусами, потому что состоит из нескольких отдельных секций, каждая из которых имеет свой собственный трубообразный корпус и расположенную внутри него жаровую трубу.

Жаровые трубы соединены между собой так называемыми пламяперебрасывающими патрубками, служащими для передачи факела пламени в соседние трубы при запуске и в случае погасания одной из труб. Живучесть двигателя с такой камерой достаточно высока. Плюс такая конструкция облегчает эксплуатацию и ремонт двигателя. Каждую индивидуальную КС можно снять для ремонта, не разбирая весь двигатель.

Трубчатая камера сгорания двигателя Rolls-Royce RB.41 Nene.

Из-за небольшого объема доводка такой КС при ее разработке достаточно легка. Такая камера хорошо компонуется с центробежным компрессором. Это одна из главных причин ее использования на ранних ТРД, имеющих ЦБ компрессор.

Примером может служить британский двигатель Rolls-Royce RB.41 Nene, устанавливаемый на самолет Hawker Sea Hawk и его последователь советский двигатель ВК-1(или РД-45, с форсажем - ВК-1Ф/РД-45Ф) для самолетов МИГ-15, МИГ-17, ИЛ-28, ТУ-14. Или же чехословацкий Motorlet M-701 , устанавливавшийся на массовом учебно-тренировочном самолете Aero L-29 Delfín.

Двигатель Rolls-Royce RB.41 Nene.

Самолет HAWKER SEA HAWK.

Двигатель РД-45.

Двигатель РД-45 с трубчатой камерой сгорания.

Истребитель МИГ-15 с двигателем РД-45.

Двигатель Motorlet M701.

Самолет L-29 Delphin.

Трубчатая КС в силовую схему двигателя не входит. В конструкциях различных двигателей может быть от 6 до 22 индивидуальных камер.

Однако, такая камера сгорания обладает очень существенным недостатком - неравномерностью поля температур, давлений и скоростей газового потока на выходе. Упрощенно говоря, поток, разделенный на сектора по числу индивидуальных труб и попадающий на турбину неравномерен по температуре и давлению, и рабочие лопатки во время вращения испытывают постоянные знакопеременные нагрузки, что конечно отрицательно сказывается на их надежности и ресурсе.

Работа двигателя РД-45. Видна неравномерность работы отдельных жаровых труб.

На базе индивидуальной КС был разработан другой, более прогрессивный компоновочный тип – трубчато-кольцевая камера сгорания. Типичным примером двигателя с такой КС может служить ТРДФ АЛ-21-Ф3 (изд.89), который устанавливается на все модификации самолета СУ-24, а также на всех модификациях СУ-17М.

В такой камере сгорания несколько жаровых труб(для АЛ-21Ф-3 - 12 штук, на других двигателях обычно от 9 до 14-ти) расположены по окружности (по кольцу) внутри общего корпуса (или кожуха), который обычно включен в общую силовую схему двигателя. Жаровые трубы соединены пламяперебрасывающими патрубками. В своей выходной части они также соединены специальным общим коротким патрубком, носящим название «газосборник».

Двигатель АЛ-21Ф-3 (компоновка «С» — для самолетов СУ-17М).

Истребитель-бомбардировщик СУ-17М4 с двигателем АЛ-21Ф3.

Трубчато-кольцевая камера сгорания.

Пример жаровой трубы трубчато-кольцевой КС. 1 — установка форсунки. 2 — передняя стенка с завихрителем. 3 — отверстия для охлаждающего воздуха. 4 — отверстия для вторичного воздуха. 5 — кронштейн. 6 — пламяперебрасывающий патрубок.

Он облегчает формирование более равномерного поля температур перед турбиной по окружности фронта потока газа.

Трубчато-кольцевые камеры сгорания по своим выходным параметрам, сложности доводки и удобствам эксплуатации и ремонта занимают промежуточное положение между трубчатыми камерами и следующим конструктивно-компоновочным видом - камерами кольцевыми.

Кольцевые камеры сгорания ГТД имеют одну жаровую трубу, которая выполнена в виде кольца и концентрически расположена между наружным и внутренним корпусами КС. Она состоит из средней части, выполненной в виде наружной и внутренней поверхностей (их еще называют смесителями), выходного газосборника и фронтового устройства (передняя часть) с местами (горелками) для установки форсунок и устройствами подачи воздуха в жаровую трубу Таких мест может быть довольно много - от 10 и до 132-ух (на реальных двигателях, в том числе наземные ГТУ) и даже более (эксперимент).

Кольцевая камера сгорания двигателя НК-32 (самолет ТУ-160).

Двигатели НК-32 на самолете ТУ-160. Послеполетный осмотр.

Жаровая труба кольцевой камеры сгорания. 5 — фронтовое устройство. 2,3 — наружный и внтренний смесители. 1,4 — расположение форсунок. 6 — отверстия для подвода вторичного воздуха.

Пример кольцевой камеры сгорания (двигатель АИ-25, компьютерная модель).

Компьютерная модель кольцевой камеры сгорания (двигатель АИ-25).

Кольцевая камера из всех упомянутых самая совершенная в плане равномерности поля температур. Кроме того она имеет минимальную длинну и суммарную площадь поверхности и поэтому самая легкая (около 6-8% от массы двигателя), обладает минимальными потерями давления (гидравлическими потерями) и требует меньшего количества воздуха для охлаждения.

Однако, такая камера сложна в доводке, обеспечении устойчивого горения и прочности, особенно при больших размерах и высоком давлении потока газа. Кроме того возможности ремонта ее достаточно малы и, в основном, требуют разборки двигателя. Хотя осуществление контроля вполне возможно с использованием современных бороскопических устройств. Положительные качества более существенны и поэтому кольцевые камеры сгорания используются практически на всех современных турбореактивных двигателях.

Кроме того существует деление камер сгорания ГТД по направлению потока газа. Это камеры прямоточные и противоточные (их еще называют петлевыми или полупетлевыми). В прямоточных направление движения газа в камере сгорания совпадает с его направлением движения по тракту двигателя, а в противоточных эти направления противоположны.

Из-за этого в петлевых камерах потери давления значительно выше, чем в прямоточных. Но при этом осевые размеры в них ощутимо меньше. Петлевые камеры очень хорошо сочетаются с центробежным компрессором и при этом их можно расположить над (вокруг) турбиной. Это конечно влечет за собой увеличение поперечных размеров, но при этом осевые ощутимо уменьшаются.

Пример компоновки петлевой камеры сгорания.

Петлевая камера сгорания вертолетного ГТД.

Одним из достоинств петлевых камер сгорания является значительное уменьшение воздействия теплового излучения факела пламени на сопловой аппарат турбины, который в этом случае находится вне «зоны прямой видимости» по отношению к ядру пламени.

Прямоточные камеры используются в мощных самолетных двигателях в сочетании с осевым компрессором. Петлевые же применяются в основном на малогабаритных двигателях, таких как вертолетные ГТД, вспомогательные силовые установки (ВСУ), двигатели беспилотников и т.д.

Камеры сгорания ГТД делятся также по принципу образования топливо-воздушной смеси. Камеры с внешним смесеобразованием (или испарительные камеры) предполагают предварительное испарение топлива и смешение его с воздухом до подачи в зону горения.

Такого рода КС позволяет значительно улучшить экологические показатели двигателя, потому что обладает высокой полнотой сгорания.

Но при этом система предварительного испарения достаточно сложна и существует опасность коксования ее трубопроводов (то есть отложения смолистых фракций топлива), что может повлечь за собой перегревы и прогары, которые в конечном итоге способны привести к взрыву двигателя. Поэтому двигатели с испарительными КС мало применяются на практике, однако примеры такие есть: вертолетный ГТД T-700-GE-700 (США – General Electric), а также ВСУ ТА-6.

Основная масса ГТД - это двигатели с внутренним смесеобразованием. В них топливо распыливается по потоку двигателя с помощью специальных форсунок в виде капель диаметром около 40-100 мкм. Далее оно смешиваясь с воздухом, попадает в зону горения.

В последние два десятилетия утвердилось и еще одно деление камер сгорания, связанное с экологическими показателями двигателя, то есть с эмиссией вредных веществ в атмосферу.

Это конструкторские разработки камер сгорания с двумя зонами горения, каждая из которых оптимизирована для работы на определенных режимах. Существуют двухзонные КС, в которых зоны горения расположены одна за другой последовательно и двухярусные, в которых зоны горения расположены одна над другой, то есть параллельно.

Кое-что о процессах в камере сгорания ГТД .

Горение, как уже было сказано, происходит непосредственно в жаровой трубе, которая собой ограничивает так называемое огневое пространство. Работает она в очень жестких условиях. В общем-то, это даже мягко сказано, если принять во внимание хотя бы тот факт, что температура плавления материала, из которого она изготовлена значительно ниже температуры факела пламени. Как же она справляется с этим? Все дело в правильной организации процессов горения и охлаждения .

Основную и решающую роль в этих процессах играет воздух. Он питает кислородом сам процесс горения и служит средством охлаждения и теплоизоляции для элементов камеры сгорания ГТД.

Воздух поступает из-за компрессора на скоростях до 150-180 м/с. На такой скорости процесс горения затруднен и велики потери полного давления. Для преодоления этих неприятностей как раз и существует диффузор. В нем скорость потока существенно снижается – до 40-50 м/с.

Далее поток делится на две части. Одна, меньшая часть (около 30-40%) непосредственно после диффузора попадает внутрь жаровой трубы и называется «первичным воздухом». Этот воздух обычно входя в жаровую трубу, проходит в ее фронтовом устройстве специальный узел, именуемый завихрителем, который еще больше тормозит и способствует его перемешиванию с распыляемым топливом.

Есть и «вторичный воздух». Его поток, проходит по кольцевым каналам между внутренним и наружным корпусами и жаровой трубой. Точнее говоря, это воздух без той части, которой так и не доводится участвовать в процессе горения (не попадает в жаровую трубу). Эта самая часть составляет около 10% общего расхода через КС (растет с увеличением температуры горения) и, проходя кольцевые каналы, далее используется для охлаждения турбины.

А собственно вторичный воздух попадает в жаровую трубу в различных ее зонах и на различных этапах процесса горения через специальные отверстия, служащие для правильного формирования потоков внутри трубы, эффективного охлаждения стенок ее и корпуса КС и получения, в конечном итоге, нужной температуры газа на выходе из камеры сгорания с учетом равномерности ее распределения по потоку.

Сама по себе жаровая труба обычно представляет из себя этакую «дырчатую конструкцию» со множеством отверстий различных размеров и конфигурации. Они могут представлять из себя как пропилы или просечки, так и отверстия круглой или овальной формы, обычные, с окантовкой (по типу манжеты), с отбортовкой или с патрубками. Все эти отверстия подчинены определенной системе. Они рассчитываются или (что чаще) подбираются опытным путем при доводке камеры сгорания на стенде.

Конструкция отверстий для подвода воздуха в стенках ЖТ.

Боковые стенки жаровой трубы часто называют смесителями из-за наличия отверстий, которые смешиваются в определенном порядке потоки воздуха.

Процессы горения и взаимного перемешивания потоков происходят в условно названных зонах. В общем-то, несмотря на условность, зоны эти определяются при расчете и доводке камеры сгорания ГТД и в соответствии со своим расположением и размерами имеются на самом деле, хотя четкого их разграничения и деления не существует.

В передней части жаровой трубы расположена зона горения. Здесь происходит подвод первичного воздуха и топлива и приготовление топливо-воздушной смеси. Воздух турбулизуется при помощи различного рода завихрителей, топливо распыляется форсунками, происходят процессы перемешивания, испарения и воспламенения.

Первичный воздух поступает постепенно (через фронтовое устройство, завихрители и далее через вышеупомянутые отверстия) по длине жаровой трубы (в передней ее части) для обеспечения оптимальности процессов.

Процессы в камере сгорания ГТД.

Компьютерное моделирование воздушных потоков в жаровой трубе.

В зависимости от конструкции двигателя зона горения может быть удлиннена. Тогда выделяют еще промежуточную зону горения, в которой завершается сгорание топлива. В эту зону поступает уже и вторичный воздух, также в этом случае участвующий в процессе горения.

Далее расположена зона смешения (или разбавления). В этой зоне в жаровую трубу через все те же спецотверстия в ней поступает вторичный воздух, который уже не участвует в процессе горения. Он, перемешиваясь с газом, формирует окончательную температуру на выходе из камеры сгорания и поле ее распределения (поле температур).

Другая важная функция вторичного воздуха - это охлаждение элементов камеры сгорания. Во время процессов в жаровой трубе достигаются температуры продуктов сгорания 2000-2200°С. Однако, для обеспечения нормальной работоспособности и долговременной надежности температура стенок жаровых труб не должна превышать величины 900-950°С (градиент не более 50°С/см).

Эти условия выполняются за счет охлаждения вторичным воздухом. На современных ГТД используется так называемое комбинированное конвективно-пленочное воздушное охлаждение. Часть воздуха выполняет свои функции с использованием конвективного охлаждения.

Принципы охлаждения стенок камеры сгорания ГТД.

Например, воздух, проходящий по кольцевым каналам между жаровой трубой и корпусом КС, охлаждает стенки жаровой трубы снаружи, а тот воздух, который поступает через отверстия и щели внутрь трубы и распространяется там вдоль ее стенок, формирует что-то вроде воздушной пленки-завесы с гораздо более низкой температурой, нежели температура зоны горения.

Эта пленка значительно уменьшает конвективный поток тепловой энергии. Воздух - плохой проводник тепла, то есть таким способом воздушная пленка предохраняет стенки жаровой трубы от перегрева.

При этом, правда, она практически не влияет на лучистый поток энергии. Ведь нагрев поверхностей в двигателе происходит не только в результатеи конвекции, но и за счет теплового излучения нагретых продуктов сгорания.

Принципы охлаждения в камере сгорания.

Охлаждающий воздух может попадать в зону горения как параллельно потоку, в этом случае – это струйное комбинированное охлаждение, так и перпендикулярно ему. Это так называемое комбинированное перфорированное охлаждение. Здесь воздух подается через систему небольших отверстий в стенке трубы (перфорацию).

Подобным образом охлаждаются все элементы жаровой трубы, как стенки, так и фронтовое устройство, и варианты исполнения охлаждающих каналов различны. Форсунки, через которые осуществляется подвод топлива тоже нуждаются в охлаждении. Оно осуществляется за счет все того же воздуха, а также за счет проходящего через них топлива. Оно снимает лишнее тепло с форсунки и далее распыляясь, сгорает в жаровой трубе.

О форсунках.

Конструкция и принцип действия форсунок могут быть различными, но главная цель - это качественное распыливание. Чем мельче капли, тем быстрее и лучше они испаряются, и тем выше полнота сгорания, а значит и качество работы камеры сгорания.

Качество распыла зависит в том числе и от скоростей струи топлива и потока воздуха за компрессором. Возможен распыл, когда топливо подается под большим давление в относительно медленно движущийся воздух. Такого действия форсунки именуются механическими. Если же давление топлива достаточно невысокое, а скорость потока большая, то это пневматические форсунки.

Наиболее заметным представителем механических форсунок являются широко распространенные центробежные форсунки. В них топливо подается под большим давлением тангенциально и, закручиваясь, выходит наружу в виде конуса (пелены).

Собственно распыливание происходит под действием центробежных сил в конусе. Он разрывается на капли, которые перемешиваются с первичным воздухом. Центробежным силам противостоят силы поверхностного натяжения керосина в конусе.

Форма конуса, толщина пелены и, в конечном итоге, качество распыла в такой форсунке сильно зависит от давления подачи топлива. Это главный недостаток центробежных форсунок.

Обычно удовлетворительное распыливание возможно при давлениях порядка 100-150 кПа, а хорошее и отличное при 6-12МПа. Однако режимы работы современного авиационного двигателя (а значит и расход топлива) имеют достаточно большой диапазон, и при глубоком дросселировании двигателя (то есть уменьшении расхода топлива) часто просто невозможно обеспечить хороший распыл топлива, а значит и надежную работу двигателя.

Например, по существующим расчетам при давлении топлива на номинальном режиме около 6-12 Мпа (то есть с хорошим распылом), давление на малом газе будет порядка 4-5,8 кПа. А при таком давлении не может быть достигнут даже удовлетворительный распыл, то есть топливного конуса за форсункой не получится.

Для преодоления этого недостатка применяют так называемые двухступенчатые (двухканальные) форсунки. У них есть два сопла. На режимах малого газа и запуска работает центральное сопло (первая ступень), имеющее меньшие размеры и обеспечивающее распыливание при малых расходах топлива.

Двухступенчатая механическая форсунка.

А на повышенных режимах подключается второе сопло (вторая ступень), и они работают одновременно. Таким образом на всех режимах обеспечивается хороший распыл. При этом, однако, для заполнения топливом коллектора второй ступени через специальный распределительный клапан требуется время, что может вызвать неустойчивость режима горения. Это основной недостаток двухступенчатой центробежной форсунки.

К механическим относятся также струйные форсунки. Они по сути дела представляют собой жиклер и обладают довольно большой дальнобойностью. Для сравнительно коротких основных камер сгорания современных ГТД это неудобно, поэтому на них они практически не применяются.

Разновидность струйной - испарительная форсунка. У нее жиклер помещен в испарительную трубку, которая обогревается горячими газами для испарения топлива. У этих форсунок есть положительные стороны, такие как простота, отсутствие необходимости высокого давления топлива, меньшее выделение вредных окислов азота и самое главное положительное свойство – одинаковое распределение топлива в зоне горения, то есть равномерное поле температур на выходе из камеры сгорания, что очень важно для турбины.

Но при этом немало и отрицательного. Такая форсунка чувствительна к составу смеси и к сорту топлива. Испарительная трубка недолговечна, возможны прогары. Плохой запуск двигателя в высотных условиях. Запустить камеру сгорания можно только от факельного воспламенителя, подогревающего испарительную трубку.

На авиационных ВРД с большой степенью повышения давления в компрессоре (к таким относятся современные двигатели для большой коммерческой авиации)большое распространение получили так называемые аэрофорсунки, относящиеся к пневматическим.

Схема аэрофорсунки.

Один из образцов аэрофорсунки.

В них топливная пленка разбивается на мельчайшие капли двумя завихренными потоками воздуха, внутренним и наружным. Такая форсунка не требует для работы высокого давления в топливной магистрали, что благоприятно сказывается на надежности и ресурсе топливных насосов, а также уменьшает их массу.

Распыливание и перемешивание топлива с воздухом в них чрезвычайно эффективно, что ощутимо снижает уровень образования окислов азота и сажи в процессе горения. Уменьшение количество сажи в свою очередь уменьшает уровень теплового излучения, что помогает более эффективно охлаждать стенки жаровой трубы.

Кроме того аэрофорсунки обеспечивают постоянное одинаковое распределение топлива в жаровой трубе при любом его расходе. А это позволяет предсказывать и поддерживать постоянство поля температур на выходе, что облегчает доводку камер сгорания на стенде.

Кое-что о зажигании.

Во время работы камеры сгорания ГТД постоянного принудительного зажигания топливо-воздушной смеси не требуется. Жара вокруг итак достаточно . Однако пусковое воспламенение, как и любому двигателю необходимо.

Источником пламени в этом случае служит высокотемпературный электрический разряд запальной свечи, похожей на свечу обычного бензинового двигателя внутреннего сгорания. Но только похожего, потому что в ДВС применяются обычные электрические высоковольтные искровые свечи. У них мощность разряда зависит от давления в камере сгорания и чем оно ниже, тем ниже мощность. В сервисной аппаратуре при проверке таких свечей его даже специально накачивают.

Это не выгодно для авиадвигателя, особенно, к примеру, для высотного запуска. Поэтому на всех современных авиационных ГТД сейчас применяют так называемые низковольтные полупроводниковые свечи поверхностного разряда, на которые внешнее давление влияния не оказывает.

Собственно поджиг топливно-воздушной смеси может происходить непосредственно от свечи зажигания или же с применением специальных топливных воспламенителей. Последнее на современных двигателях применяется чаще.

Схема непосредственного розжига камеры сгорания от свечи.

Воспламенитель представляет собой, по сути дела, миниатюрную камеру сгорания, к которой смонтирована чаще всего простая одноступенчатая центробежная форсунка и свеча зажигания для непосредственного розжига. Для осуществления надежного высотного запуска обычно имеется подпитка кислородом.

Пусковое топливо подается в камеру воспламенителя по специальному закону регулирования топливоподачи, отличному от основной камеры сгорания для обеспечения надежного и устойчивого запуска.

Сам воспламенитель устанавливается снаружи камеры сгорания, обычно в ее передней части, и не подвержен воздействию горячих газов (за исключением пламяподающего патрубка). Воздух в него поступает через специальные отверстия в передней части из-за компрессора, то есть достаточно холодный.

Установка воспламенителя на камеру сгорания.

Патрубок воспламенителя (подающий факел) введен в жаровую трубу, непосредственно в зону горения для подачи туда факела пламени. Для надежного розжига таких воспламенителей бывает обычно больше одного (два или три), особенно это актуально для трубчатых и трубчато-кольцевых камер сгорания.

О материалах.

Для обеспечения достаточного ресурса жаровых труб в двигателе они никогда не находятся под силовой нагрузкой, то есть не включены в силовую схему двигателя. При этом материалы, из которых они изготовляются имеют высокие характеристики жаростойкости и жаропрочности. Кроме того такие материалы удобны в обработке, стойки к газовой коррозии и вибрациям.

Обычно это специализированные хромоникелевые сплавы. Для российской металлургии –это типы Х20Н80Т,ХН60В, ХН70Ю, ХН38ВТ, Х24Н25Т. Если камеры сгорания работают при температурах до 900°С, то могут применяться сплавы типа Х20Н80Т, ХН38ВТ, ХН75МВТЮ. А для температур 950-1100°С – сплав ХН60В.

Сами жаровые трубы собираются при помощи сварки из отдельных частей – секций. Во избежание температурных напряжений между секциями связь между ними выполняется с «малой жесткостью», то есть делается упругой. С этой целью выполняются многочисленные разрезы вдоль образующей линии секции с отверстиями большого диаметра на конце для уменьшения концентрации напряжений. Это так называемые «температурные швы».

Соединение секций камеры сгорания (упругое).

Кроме того элементы жаровых труб изнутри покрываются специальными жаростойкими эмалями, или иначе стеклоэмалевыми покрытиями. У этих покрытий двойная функция. Из-за низкой теплопроводности они вносят свой вклад в предохранение стенок жаровой трубы от перегрева. Такое покрытие толщиной в 1мм с низким коэффициентом теплопроводности может обеспечить снижение температуры стенки почти на 100 град.

Кроме того эмаль служит хорошей защитой от газовой коррозии, то есть окисления материала элементов ЖТ имеющимся в составе газа свободным кислородом. В процессе эксплуатации эмаль из-за эрозионных явлений постепенно изнашивается и утончается, но может быть восстановлено при плановом ремонте двигателя. Эмали повышают сопротивляемость коррозии в 6-8 раз. Работают при температурах 600-1200°С (в зависимости от типа).

Защитная стеклоэмаль на кольцевой КС.

Одна из распространенных эмалей на двигателях российского производства (больше для «старых» двигателей) ЭВ-55 используемая, в частности, со сплавом 1Х18Н9Т. Она, кстати, имеет характерный зеленый цвет из-за присутствия в ее составе хрома в виде диоксида.

Другая распространенная эмаль ЭВК-103 может длительно работать при температурах до 1000°С и применяется для сплавов типа ХН60ВТ (ВЖ98).

Для перспективных сплавов, таких как ВЖ145 (рабочая температура до 1100°С, ВЖ155/171 (рабочая температура до 1200°С) разрабатываются специальные добавки для улучшения свойств серийных стеклоэмалей типа ЭВК.

Кроме того используются композитные материалы и керамика, значительно повышающие эксплуатационные возможности перспективной техники (композитный керамический состав ВМК-3/ВМК-3). Становится возможным разработка деталей, которые работоспособны при температурах до 1500°С. Практика применения керамики для производства некоторых элементов уже опробована на двигателях военного предназначения, теперь пришел черед двигателей коммерческих.

О контроле состояния элементов .

Постоянно растущие температура и давление процесса горения в камерах сгорания ГТД требуют современных методов контроля за состоянием элементов конструкции. В этом плане есть, так сказать, и предмет и средства. Практически все существующие и перспективные камеры сгорания имеют достаточно хорошую контролепригодность, особенно что касается визуальных осмотров.

Эндоскопы XLG3 и XLGo.

Применение специальных бороскопических устройств делают визуальный осмотр и контроль внутренних полостей достаточно несложным делом. Наиболее широко (и удобно ) применяемые в этом плане аппараты - это видеоэндоскопы типа XLGO (Everest XLGO) или более “серьезный” технический эндоскоп GE Inspection Technologies XL G3 VideoProbe.

Для осмотра внешней поверхности жаровых труб обычно могут быть использованы два подхода. На всех современных двигателях во внешнем корпусе камеры сгорания имеются специально предназначенные для бороскопических инспекций отверстия (порты) закрытые легкосъемными пробками.

Пример расположения точек доступа для бороскопической инспекции камеры сгорания. Двигатель CFM56-3.

Через такие порты щуп бороскопа может достать практически любую точку под внешним корпусом камеры сгорания ГТД. Если у бороскопа длинный гибкий щуп с хорошей артикуляцией (тот же XLGO, например), то эта задача упрощается многократно, и состояние практически любого подозрительные места может быть хорошо проверено и проанализировано, в том числе с применением 3-D-анализа и выполнением качественных снимков и видеозаписей.

Точно также (второй способ) можно произвести осмотр и через отверстие на месте снятого пускового воспламенителя. Демонтаж-монтаж воспламенителя обычно не является сложной операцией. В этом случае можно произвести осмотр как наружных, так и внутренних полостей камеры сгорания ГТД.

Кроме того фронтовые устройства и диффузор КС можно осмотреть через бороскопические порты для последней ступени компрессора (для ТРДД и ТВРД это компрессор низкого давления). Таким же образом осматривается газосборник жаровой трубы (как впрочем и вся жаровая труба изнутри) через бороскопическик порты на сопловом аппарате первой ступени турбины.

Снимок внутренних поверхностей камеры сгорания, сделанный при помощи XLGO.

Внутренние полости КС на экране видеоэндоскопа.

Такого рода порты (как на компрессоре, так и на турбине) есть практически на всех современных ГТД. Эти работы не требуют демонтажа двигателя и других каких-либо сложных демонтажно-монтажных работ.

Видеоролик показывает панораму на дисплее аппарата XLGO при осмотре камеры сгорания ГТД. Интересно, что это двухярусная камера сгорания DAC (о ней будет сказано ниже).

Экологические нюансы.

В современных условиях мирового роста объема авиационных перевозок, как пассажирских, так и грузовых все большее значение приобретает, я бы сказал, культура применения авиационных двигателей. То есть человеку становится небезразличны не только высокие тяговые характеристики авиационного газотурбинного двигателя, но также его экономичность и экологичность.

Экологичность напрямую связана с вредными выбросами двигателя в атмосферу. К их количеству при создании современных двигателей (а значит и камер сгорания ГТД) предъявляются сейчас довольно жесткие требования. Это заставляет создателей и конструкторов камер сгорания использовать новые, нетрадиционные приемы.

В чем суть этих приемов и что, собственно, представляют из себя вредные выбросы.

Фундаментальная формула горения (окисления) топлива (керосина) в камере сгорания ГТД имеет примерно такой вид: С 12 Н 23 + 17,75О 2 = 12СО 2 + 11,5Н 2 О

То есть два основных продукта, получающихся в результате горения топлива - это вода и углекислый газ.

В газах покидающих камеру сгорания ГТД в наибольших количествах содержатся: кислород О2, азот N2 и получающиеся в результате горения углекислота и вода. Кроме того присутствуют продукты неполного окисления типа СО, несгорешие углеводороды НС (типа СН4 , С2Н4), а также продукты распада, получившиеся в результате высокотемпературной диссоциации.

В меньшем количестве представлены вещества типа SO (обычно как результат окисления серы, содержащейся в топливе), оксиды азота NOx, различные амины, цианиды, альдегиды и полициклические ароматические углеводороды (в небольших количествах). Кроме того присутствует углерод в виде сажи и дыма, как результат термического разложения топлива в зонах его переизбытка.

Из всего этого списка только первые четыре продукта не обладают токсичными свойствами и не оказывают неблапгоприятного влияния на атмосферу (хотя насчет СО2 это относительно ). Остальные так или иначе вредны для атмосферы, живых организмов и человека. Некоторые особо опасны.

К таким относятся окислы азота NOx (в особенности NO и NO2), моноксид углерода СО (угарный газ), углеводороды СН различного состава (канцерогены, широко известен бензопирен С20Н12) и углерод в виде сажи или дыма (адсорбирует на себе токсины и при попадании в организм не выводится из него).

Выброс этих веществ авиационными двигателями в атмосферу (эмиссия ) сейчас регламентируется достаточно жесткими специальными правилами ICAO (последний обновленный свод норм САЕР 8 от 2010 года).

Основная часть окислов азота (до 90%) образуется в камере сгорания ГТД по так называемому термическому механизму, когда атмосферный азот окисляется кислородом при высокой температуре. То есть, для того, чтобы NOx было меньше, нужна, во-первых, меньшая температура горения и, во-вторых, меньшая концентрация кислорода, хотя влияние второго фактора менее существенно.

Максимальная температура горения достигается при стехиометрическом составе ТВС(то есть когда воздуха есть ровно столько, сколько нужно для полного сгорания имеющегося количества топлива. Параметр, характеризующий состав топливно-воздушной смеси, это упоминавшийся уже коэффициент избытка воздуха (α ), и он в таком случае равен единице.

Влияние температуры и состава смеси на образование окислов азота.

Однако, при Тмакс. будут идеальные условия для еще большего образования окислов азота. Поэтому с точки зрения уменьшения их количества камера сгорания ГТД должна работать подальше от зоны α=1, то есть ТВС не должна быть стехиометрической. Либо обогащенной, либо обедненной. Плюс к этому хорошо перемешанная топливо-воздушная смесь (ТВС) не должна долго находиться в зоне с высокими температурами, что подразумевает меньшие осевые размеры камеры сгорания.

СО - это результат неполного сгорания топлива, когда для кислорода для завершения реакции окисления не хватает. Это бывает в зоне с богатой смесью. Если же смесь бедная или близкая к стехиометрической, то СО образовывается в результате диссоциации. Поэтому способ борьбы с его образованием - это хорошее перемешивание ТВС и улучшение полноты сгорания.

СН - углеводороды, присутствующие в газе в результате термического разложения топлива на более простые составляющие и его неполного сгорания из-за некачественного перемешивания. Способ борьбы - все то же хорошее перемешивание ТВС плюс более длительное нахождение ее в зоне горения.

Сажа (углерод) . Ее образование зависит от состава топлива, качества перемешивания смеси и распыливания топлива. При повышении давления в КС сажеобразование увеличивается.

Традиционные камеры сгорания «старых» двигателей, имеющие консервативную конструкцию и работающие на смесях околостехиометрического состава (α=1), не позволяют ощутимо снизить количество вредных выбросов. На режимах малой тяги с пониженной полнотой сгорания (до 88-93%) растут выбросы СО и НС, а при повышении нагрузки растет температура и, соответственно выбросы NOx.

Поэтому ведущими мировыми производителями ГТД для решения этой задачи и достижения сответствия требованиям САЕР разрабатываются новые низкоэмиссионные КС с применением инновационных технологий.

Работа эта очень непроста из-за сложности и чувствительности процессов проходящих в КС. Зачастую факторы, влияющие на образование вредных эмиссионных составляющих (NOx, CO, CH, сажа) могут находиться в определенном противоречии друг к другу и к таким параметрам двигателя, как тяговая эффективность и экономичность.

Например:

Работа камеры сгорания в зоне с богатой ТВС уменьшает возможность образования Nox, но значительно повышает выбросы углерода в виде сажи. Работа в зоне с обедненной смесью уменьшает количество окислов азота и сажи, но при этом появляется тенденция к росту количества СО и СН. К тому же обедненная смесь не обеспечивает стабильность розжига и работы на режимах малой тяги.

Уменьшение осевых размеров камеры сгорания ГТД , как уже было сказано, тоже снижает количество образуемых Nox, но при этом опять появляется тенденция к росту образования СО и СН. Уменьшаются возможности высотного запуска таких камер.

В общем для достижения какого-либо приемлемого решения в том, какой путь выбрать, без компромиса не обойтись. В последние два десятилетия довольно четко обрисовались два основных направления в создании перспективных камер сгорания для современных двигателей с высокой степенью повышения давления в компрессоре.

Первое направление. КС работающие на расчетном режиме (большая тяга) на обедненной топливно-воздушной смеси. В таких камерах на основном режиме достигается хорошее предварительное перемешивание ТВС и качественное испарение топлива. Однако такая камера не может самостоятельно обеспечить хороший розжиг и горение на режимах малой тяги.

Решение проблемы выливается обычно в создание двух зон горения: пилотной зоныдля запуска и режимов малой мощности, которая работает на богатой смеси и оптимизирована под низкое выделение СО и СН и основной зоны для расчетных режимов большой тяги, работающей на обедненной ТВС.

Двигатели, работающие на бедной смеси.

Такие двухзонные камеры (а также двухярусные) достаточно сложны по конструкции, имеют большую массу и стоимость. Для их изготовления из-за больших тепловых напряжений (по сравнению с традиционными камерами) была разработана новая, так называемая сегментная технология.

Каждая кольцевая секция, из которых состоит жаровая труба разрезана на отдельные сегменты, которые при помощи специальных крючков и пластин (шпонок) крепятся к общей силовой раме. Получается такая «плавающая» или «дышащая» конструкция без напряжений реагирующая на термические нагрузки. Это позволяет повысить надежность и ресурс жаровой трубы.

Сегменты делают возможность применение более эффективного охлаждения. В охладительных каналах организуется параллельно-противоположное течение воздуха (конвекция) плюс последующее заградительное охлаждение поверхности.

Кроме того сегментная конструкция делает возможным применение керамики при изготовлении элементов камеры сгорания.

Примером эксплуатационного использования камеры такого типа может служить КС CFM56 DAC (Dual Annular Combustor), устанавливаемая на двигатели CFM56-5B/7В. Показатели ее видны на диаграмме. А также камера DAC на двигателях GE90-94B/115B. На всех этих двигателях камера сгорания типа устанавливается как дополнительная опция, то есть по желанию заказчика.

Камера сгорания типа DAC для двигателей CFM56. 1 — пилотная зона, 2 — основная зона.

Отличия в количестве вредных выбросов (DAC SAC/Dual-Single).

В качестве перспективных технологий и камер сгорания создаваемых на их основе и работающих на обедненной смеси, которые в принципе предназначены для замены камер типа DAC, можно назвать технологию ANTLE (Affordable Near Term Low Emissions) фирмы Rolls-Roys (а также еще более далекая перспектива - CLEAN) и технологию TAPS (Twin Annular Premixing Swirler) от фирмы General Electric.

Перспективная камера сгорания стехнологией ANTLE.

Камеры сгорания такого типа работают на основе принципа так называемого предварительного смешивания. Упрощенно говоря, здесь определенной конструкции аэрофорсунки помещены в блок специальных воздушных завихрителей. Сама предварительная турбулизация (закручивание) воздуха начинается по сути дела еще до входа в жаровую трубу.

Такая конструкция значительно улучшает условия и надежность горения. Зоны горения расположены здесь последовательно. Пилотная зона для устойчивого запуска и работы на малой тяге тоже есть. Небольшое видео иллюстрирует этот принцип.

Такие камеры имеют укороченный осевой размер и практически не имеют отверстий в жаровой трубе для прохода вторичного воздуха. Камеры сгорания ТАPS превосходят по показателям количества выбросов (Nox, CO, CH) камеры DAC. Такие КС планируются к использованию на двигателях CFM-56-7B.

Второе направление развития КС . Это технология RQL. Аббревиатура расшифровывается следующим образом: Rich-Burn, Quick-Mix, Lean-Burn Combustor, то есть горение богатой смеси, быстрое смешение и горение бедной смеси. В этом, собственно, и состоит весь принцип.

Камера RQL это по сути дела двухзонная КС с последовательным расположением зон горения. Первая - зона с богатой ТВС (на рисунке коэффициент избытка топлива φ или FAR (обратный α или AFR) равен 1,8). Здесь имеет место устойчивое горение с при относительно невысокой температуре и малом количестве кислорода.

Поэтому количество образующихся окислов азота тоже мало. Но при этом образуется достаточно много горючих веществ типа СО, простейших углеводородов СН, водорода Н2, а также углерода (сажи). Эти вещества нельзя выпускать в атмосферу, поэтому организуется вторая зона горения.

Принцип технологии RQL.

Двигатели, работающие по принципу RQL.

Через специальные отверстия в стенках жаровой трубы (смеситель) подводится дополнительный воздух так, чтобы смесь стала бедной (φ (FAR) = 0,6). Далее происходит горение обедненной смеси, при которой образование Nox так же мало и сгорают СО, СН, Н2, поступившие из «богатой» зоны. В итоге газ выходит из камеры сгорания, имея вполне приемлемый состав компонентов (в идеале).

Главный «фокус» и проблема такой технологии - это обеспечение быстрого и качественного перемешивания газового потока на промежуточном этапе (Quick-Mix) с тем, чтобы не допустить формирования смеси стехиометрического состава (практически). Это может вызвать резкое повышение температуры потока с нежелательными последствиями, как в плане вредных выбросов, так и в плане надежности работы элементов конструкции.

Образование окислов азота и принцип RQL.

Крупнейшие мировые производители двигателей имеют свои разработки с применением технологии RQL. Одна из самых известных - разработка фирмы Pratt & Whitney камера сгорания типа TALON (Technology for Advanced Low Nox). Один из последних вариантов – TALON II для двигателей PW4158/4168 и PW6000. Как близкая к завершению перспектива – следующий вариант TALON X.

Rolls-Roys в этом плане имеет свою разработку - камеру сгорания «Tiled Рhase 5», устанавливаемую на двигатели Trent 500/800/900/1000. Фирма GE - камеру сгорания выполненную по технологии LEC (The Low Emission Combustor).

Перспективная камера сгорания фирмы Rolls-Roys.

Все вышеперечисленные образцы, как, впрочем, и находящиеся в эксплуатации современные и вполне надежные камеры сгорания ГТД в той или иной степени не идеальны. Добиться значительного улучшения в этом плане не так-то легко. Сложный и во многом даже тяжелый процесс создания новых КС, преодолевая препоны конструктивного консерватизма, продвигается через множество инженерных и техничеcких компромиссов .

Однако, существует аксиома, говорящая о том, что прогресс не остановить. И это так на самом деле. Достаточно сравнить, например, двигатель РД-45 и любой современный двигатель, военный и коммерческий. А временной отрезок, их разделяющий не столь уж и велик… И все равно хочется побыстрее …

На этом пока все. Спасибо, что дочитали до конца