Камеры сгорания газовых турбин гту. Камеры сгорания бензиновых двигателей Камера сгорания кольцевой формы газотурбинного двигателя

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

Независимо от конструктивных схем основных камер сгорания, для всех их общими являются следующие конструктивные элементы:

– диффузор;

– жаровая труба;

– стабилизаторы горения (завихрители);

– смесители;

– пусковые воспламенители;

– дренажные клапаны;

– топливные коллекторы с топливными форсунками.

Для трубчатых и трубчато-кольцевых камер, кроме того, используются пламяперебрасывающие патрубки и газосборники.

Диффузор устанавливается на входе в камеру сгорания и служит для понижения скорости воздуха на входе в камеру сгорания со 120…180 м/с до 30…50 м/с для обеспечения устойчивого горения топлива. На диффузоры приходится основная доля гидравлических потерь, поэтому их профилированию уделяется особое внимание.

Возможны несколько конструкций диффузоров: бессрывный, с разделением потоков, с запланированным срывом.

Бессрывный диффузор представляет собой плавный канал с углом раскрытия 18-25 0 и обеспечивает выравнивание потока, безотрывное течение воздуха и небольшие гидравлические потери. Однако он имеет значительный осевой размер, что увеличивает расстояние между опорами ротора и длину всего двигателя.

С целью уменьшения осевых размеров диффузора он может заканчиваться внезапным увеличением площади проходного сечения – запланированным срывом (АЛ-21, ТВ3-117, Р-29). В месте резкого перехода сечений могут устанавливаться специальные гребешки – провокаторы срыва потока.

Возможна также конструкция бессрывного диффузора с большим углом раскрытия (до 35-40 0). Для обеспечения бессрывного течения, поток в таком диффузоре делится на два или три канала, имеющих небольшие углы раскрытия.

Жаровая труба ограничивает зону горения топливо-воздушной смеси. В современных камерах она выполняется вальцовкой и сваркой тонкостенных колец, что снижает температурные напряжения в ее конструкции. Снаружи жаровая труба охлаждается вторичным воздухом, изнутри обеспечивается пленочное заградительное охлаждение.

Жаровая труба для обеспечения свободы температурных деформаций крепится в корпусе камеры как двухопорная балка, при этом обеспечивается ее фиксация только в одном поясе крепления, а во втором поясе – свобода перемещения.

Стабилизаторы горения (завихрители) обеспечивают устойчивость горения топливо-воздушной смеси, создавая зону обратных токов и интенсифицируя процессы смесеобразования путем увеличения турбулентности потока. Находят применение лопаточные (Р-11), струйные (щелевые, терочные – Д-25В, Д-20П) и срывные (АИ-20, АИ-25) стабилизаторы, а также их комбинации.

Смесители осуществляют подвод вторичного воздуха внутрь жаровой трубы для снижения температуры газа перед турбиной до заданного значения. Чтобы холодный воздух не попал в зону обратных токов и не нарушил процесса сгорания топлива из-за местного охлаждения газов, вторичный воздух вводят постепенно через систему отверстий или смесительных патрубков различного сечения. Струи вторичного воздуха должны иметь большую глубину проникания в поток горячего газа, чтобы снизить температуру газа не только у стенок, но и в ядре потока.

Величина глубины проникновения струй вторичного воздуха в жаровую трубу камеры рассчитывается по зависимости

где – глубина проникновения струи;

– диаметр отверстия;

и – скорость вторичного воздуха в отверстии и скорость сносящего газового потока;

– текущая длина жаровой трубы.

Пусковые воспламенители обеспечивают начальное воспламенение топливо-воздушной смеси при запуске двигателя. Они могут быть выполнены в виде электрической свечи у низковысотных двигатетелей (Д-25В, ТВ3-117) или при малом объеме камеры сгорания (РД-33) или в сочетании с пусковой топливной форсункой (АЛ-7, Р-11). Свечи применяют низковольтные (с рабочим напряжением 1500-2500 В, полупроводниковые, поверхностного разряда). Охлаждение пускового воспламенителя при запуске двигателя – емкостное, за счет нагрева собственной массы. Для облегчения высотного запуска и запуска в зимнее время в воспламенителе может применяться кислородная подпитка от бортовых кислородных баллонов (Р-25).

Дренажные клапаны располагаются в нижней части камеры сгорания и соединяются трубопроводом с дренажной системой двигателя. Они необходимы для слива остатков топлива из камеры при расконсервации двигателя, неудавшемся или ложном запуске.

Пламяперебрасывающие патрубки осуществляют передачу пламени в трубчатых или трубчато-кольцевых камерах сгорания из одной жаровой трубы в другую и несколько выравнивают давление в головках жаровых труб.

Газосборник необходим для плавного перевода потока газа от круглого сечения жаровой трубы трубчатой или трубчато-кольцевой камеры сгорания к кольцевому сечению перед сопловым аппаратом турбины.

В настоящее время в энергетических ГТУ используются различные газообразные и жидкие топлива, основными горючими которых являются углеводороды.

Природные газы состоят главным образом из метана (); в попутных нефтяных газах могут содержаться значительные количества , , , .

Нефтяные жидкие топлива для ГТУ состоят из различных по строению сложных молекул. Обычно массовая доля водорода составляет в них 11 – 13,5, углерода 86 – 87,5%. Во многих случаях в топливах содержатся соединения серы, кислорода, азота, влага и негорючие составляющие: в газообразных , , и др., в жидких – образующие золу соединения металлов.

В энергетических ГТУ используются КС с расположением жаровых труб вокруг вала ГТУ и выносные камеры сгорания. Каждый из этих типов имеет свои преимущества и недостатки.

В трубчато-кольцевых камерах сгорания и индивидуальных камерах сгорания, расположенных концентрически вокруг вала ГТУ, вследствие небольших диаметров жаровых труб струи воздуха, вытекающего из отверстий в их стенках, проникают в ядро факела при приемлемых перепадах давления, обеспечивая быстрое перемешивание с воздухом и полное сгорание топлива без образования сажи в переобогащенных топливом зонах. Высокая турбулентность факела при горении в струях снижает также излучение на стенки. Обеспечить требуемую прочность, жесткость и температурное состояние металла небольших камер сгорания конструктивно проще. На их характеристики легче влиять с помощью тех или иных конструктивных изменений. Все это позволяет интенсифицировать процессы горения, уменьшить массу и габариты КС и всей ГТУ. Имеющиеся при небольших размерах жаровых труб возможности строгого дозирования потоков воздуха позволяет организовать процесс горения с минимальным количеством вредных выбросов (окислов азота, сажи, угарного газа, несгоревших углеводородов) и управлять полем температур на выходе. Жаровые трубы легче обслуживать и заменять для ремонта.

Важным преимуществом трубчато-кольцевых и индивидуальных камер сгорания является возможность отработки и доводки отдельных жаровых труб на стендах при натурных параметрах (давлении) и умеренных, практически доступных расходах воздуха и топлива. Аналогичные исследования крупных выносных камер сгорания возможны только в составе ГТУ,

В выносных камерах сгорания горелки расположены дальше от турбины и отделены от неё трактами с поворотом газового потока. Неравномерность температурного поля на входе в турбину и опасность проскоков пламени и повреждения турбины при неисправности горелок при этом меньше. Потери давления также обычно уменьшаются, так как при больших объемах затраты на перемешивание могут быть уменьшены (скорости движения воздуха меньше).

Вследствие значительного времени пребывания топливовоздушной смеси в зоне горения потери с недожогом и концентрации в продуктах сгорания угарного газа и несгоревших углеводородов могут быть невелики даже при сжигании тяжелых жидких топлив с повышенным содержанием углерода или низкокалорийных газов. При больших размерах факела его коэффициент теплового излучения близок к единице и мало изменяется в зависимости от характеристик жидких топлив. Это также облегчает сжигание их тяжелых сортов.

Рис.15.? Выносная КС ГТ-25-700-2.

1 – наружный корпус; 2 – жаровая труба; 3 – фронтовое устройство; 4 – горелки; 5 – сопла смесителя; 6 – подвод воздуха из КВД.

Выносные камеры создают возможность осмотра и ремонта изнутри их деталей и газового тракта, а также сопловых лопаток I ступени турбины.

Вместе с тем в больших выносных КС труднее организовать смешение и контролировать температуры факела, так чтобы выбросы были минимальными. Такие камеры транспортируются отдельно и присоединяются к турбогруппе при монтаже. Для вывода воздуха и ввода горячих газов в турбомашину необходимы крупногабаритные газоходы, ослабляющие корпус турбомашины. Прочность и газоплотность их внутреннего тракта обеспечить трудно. См.2.2. -2.4.

Несмотря на имеющийся опыт проектирования и отработку конструкций камер сгорания на моделях для обеспечения их работоспособности на промышленных ГТУ приходится выполнять доводку КС в составе ГТУ и вносить в конструкцию существенные изменения.

Из-за возникновения вихрей и зон пониженного давления в кольцевом канале между жаровой трубой и наружным корпусом в выносных КС наблюдались отложения кокса, перегрев и трещины на жаровой трубе, протечки газов через отверстия в ней и вынос кокса на внутреннюю стенку корпуса, а также увеличение неравномерности температур на выходе. Для упорядочения течения воздуха в кольцевом зазоре устанавливаются направляющие лопатки.

Обеспечение требуемого уровня температур и прочности деталей горячего тракта вызывает наибольшие трудности. Причинами трещин и поломок ненагруженных деталей жаровых труб КС часто бывают усталость под действием знакопеременных напряжений, особенно в тех случаях, когда КС работает неустойчиво, или термоусталость в результате теплосмен при пусках и остановах ГТУ. Трещины образуются в местах сварки и у отверстий и щелей в жаровых трубах для прохода воздуха, а также на газосборниках, соединяющих жаровые трубы с проточной частью турбины.

На ГТУ М7001 (Дженерал Электрик), например, из-за акустического резонанса в газосборниках возникали повышенные вибрационные напряжения, приводившие к образованию трещин, а затем щелей и отверстий. Уменьшение расхода воздуха через неисправную ЖТ и попадание отделившихся кусков металла в проточную часть турбины создавали опасность серьезных аварий. Для повышения прочности газосборников было введено гибкое соединение между ними и обоймой сопловых лопаток турбины; выполнены дополнительные отверстия для подвода охлаждающего воздуха и снижены температуры в зоне наибольших напряжений; скорректировано управление ВНА компрессора для изменения резонансных характеристик при частичных нагрузках; толщина стенок газосборников увеличена в 1,5 раза, а форма улучшена. Для уменьшения износа в местах механического контакта введена подвеска газосборников. Качество их изготовления улучшено путем совершенствования технологии и автоматизации сварки, проведения термообработки и рентгеноскопии швов.

На ГТУ М7001 были случаи смятия ЖТ из-за резкого повышения перепадов давления на них (до 130 – 150 кПа) при отключении топлива в момент внезапных остановов ГТУ. Прочность ЖТ была повышена установкой специальных жестких колец и устройством дополнительных решеток для прохода охлаждающего воздуха, облегчавших его доступ в зону горения, а процесс отключения ГТУ был растянут с 5- 10 до 15о мс, чтобы уменьшить перепад давления на ЖТ до 80 кПа. Радикальное снижение температуры и повышение прочности было достигнуто, однако, лишь после изменения конструкции, укорочения ЖТ и использования щелевого охлаждения

Рис.15.?. Модернизированная КС ГТУ М7001.

а) – конструктивная схема; б) – щелевое охлаждение: 1 – наружный корпус индивидуальной КС; 2- жаровая труба; 3- газосборник; 4 - фронтовое устройство; 5 – подвод топлива; 6 – свеча зажигания (одна из двух на 10 индивидуальных КС; 7 – экран; 8 – опора ЖТ; 9 – подвод воздуха из компрессора; 10 – вторичный воздух; 11 – приваренное точечной сваркой и опаянное кольцо; 12 – отверстия для ударного охлаждения; 13 – выходящая из щели непрерывная защитная пелена воздуха.

Перегрев деталей КС может вызывать несимметричность факела пламени. В ГТУ мощностью 35 – 85 МВт фирмы Броун Бовери (типы 9 и 13) с КС, установленной над ГТУ, выгорание металла наблюдалось в нижней части ЖТ при образовании очагов горения на выходящих из смесителя струях воздуха. причинами изменения положения факела в пространстве и соприкосновения его со стенками, вызывающего деформации и прогар ЖТ, могут быть также нарушение работы форсунок (газораздающих насадков), повреждение завихрителей и усталостные ли термоусталостные повреждения ЖТ или газосборников, нарушающие осевую симметрию потоков топлива и воздуха.

Ухудшение качества распыла жидкого топлива или наличие в газообразном топливе горючих конденсатов, в результате которых капли топлива попадают на стенки ЖТ и догорают на них, также могут вызвать перегрев и выгорание металла. Попадание в КС больших количеств газового конденсата приводит к очень тяжелым авариям. Вблизи фронтового устройства происходит переобогащение смеси и срыв факела, а горение стабилизируются на лопатках турбины, которые вследствие этого перегреваются и разрушаются.

Неравномерность температур на выходе из КС определяется конструкцией смесителя и может возрастать при затягивании горения и несимметричности подвода топлива или воздуха. На установке ГТ-100, например, коэффициент неравномерности температур газов и характер полей температуры на выходе из отдельных ЖТ, несимметричны из-за не вполне одинакового их положения относительно статорных элементов, не зависит от режима работы и вида топлива. Снижение неравномерности и благоприятное профилирование температуры по радиусу на входе в проточную часть были достигнуты путем несимметричного расположения и изменения числа и размеров сопл смесителя.

В некоторых выносных КС для выравнивания поля температур на выходе и определения в наладочный период оптимальных сечений сопл смесителя применялось их ручное регулирование с помощью заслонок. В эксплуатационной практике это нецелесообразно. При ограниченной информации о температуре газов изменение их неравномерности свидетельствует о возможном дефекте, который необходимо выявить и устранить, а не скрыть, устранив регулированием смесителя признак его появления.

Выравнивание температур происходит на некоторой длине после смесителя >1 – 2. Наличие поворотов между Кс и турбиной способствует некоторому уменьшению неравномерности температур, в угловых входных патрубках турбин их неравномерность уменьшается в 3 – 5 раз.

Серьезные неполадки могут быть вызваны неудовлетворительной работой форсунок жидкого топлива. На некоторых ГТУ наблюдался износ рабочих каналов форсунок из-за наличия в топливе и распыливающем воздухе твердых частиц. Чтобы избежать его, элементы форсунок выполняют из твердых материалов или упрочняют, топливо и распыливающий воздух фильтруют, а при конструировании трактов избегают повышенной турбулентности и прямого удара потока о стенки. Чтобы избежать неплотностив соединениях и протечек топлива с образованием кокса или даже очагов горения на форсунках, тщательность их изготовления и сборки контролируют на стендах перед установкой на ГТУ.

Перегрев, коксование и повреждения форсунок и горелок при работе предотвращают, охлаждая и защищая их постоянной продувкой воздухом, коксование форсунок после остановов и прекращения подачи топлива - быстро сливая его и продувая внутренние тракты форсунок воздухом для удаления остатков топлива. В ГТУ, предназначенных для работы на двух видах топлива, продувку форсунок жидкого топлива при работе на природном газе производят обычно тем же газом, который очищают от пыли, воды и солей, чтобы избежать забивания и коррозии форсунок.

Изменения, которые вносятся для улучшения процесса горения, охлаждения деталей, уменьшения неравномерности поля температур на выходе из КС и т.д., могут неблагоприятно влиять на другие характеристики камер. Так, например, на ГТУ типа V93 фирмы Крафтверкунион наблюдавшееся первоначально дымление было уменьшено путем повышения скоростей первичного воздуха и увеличения его количества подачей через дополнительные отверстия. Частичное закрытие регулируемых отверстий смесителя, которым сопровождались эти мероприятия, и повышение скоростей в них привели к нарушениям течения газа и вызвали поломки лопаток турбины. Надежная работа КС была обеспечена после переделки смесителя; закрытия регулируемых отверстий и устройства 12 конических сопл для ввода воздуха и 4 отверстий постоянного сечения.

Таблица параметров топлив

Вид топлива	Топливо	Плотность, кг/и3	Стехиометрическое количество воздуха, кг/кг	Низшая теплотворная способность, кДж/кг
Для реактивных двигателей	Т-1 ГОСТ 10227-02		14,78
ТС-1 ГОСТ 10227-02
Т-2 ГОСТ 10227-02
Т-8 ТУ 38-1-257-69
РТ ГОСТ 16564-71
Т-6 ГОСТ 12308-80
Топливо дизельное	Л ГОСТ305-82
З ГОСТ305-82
А ГОСТ305-82
Моторное топливо	ДТ ГОСТ 1667-68
ДМ ГОСТ 1667-68
Для ГТУ	ТГВК ГОСТ 10433-75
ТГ ГОСТ 10433-75
Дистиллят сернистый Ново-Уфимского НПЗ
Дистиллят малосернистый Волгоградского НПЗ
Природный газ	Ставропольское месторождение	0,73	16,72
Саратовское	0,765	16,8
Водород	Жидкий водород		34,2

Конструкция корпуса камеры.

Конструкцию камеры двигателя (рис. 6.1) технологически можно разделить на две части: корпус 1 и смесительную (форсуночную) голов­ку 2.

Корпус состоит из цилиндрической части 3 и сопла 4.

Исходными данными для конструирования камеры являются преж­де всего геометрические размеры и газодинамический профиль (рис. 6.2), которые определяются при газодинамическом расчёте. Затем производит­ся расчет смесеобразования и форсунок, расчет тепловых потоков и решаются задачи теплозащиты стенки, выбираются основные материалы.

Большинство камер ЖРД имеет наружное охлаждение, при кото­ром осуществляется проток охладителя по охлаждающему тракту, об­разованному между внутренней и наружной оболочками или стенками камеры сгорания и сопла. С ростом давления в камере и повышением энергетических характеристик двигателя для обеспечения надежной теп­лозащиты стенок камеры требуется интенсификация наружного про­точного охлаждения. Это достигается увеличением скорости течения. охладителя, развитием теплоотдающей поверхности стенки с помощью её оребрения, турбулизацией потока, например путём создания искусственной шероховатости тракта. Кроме того, при интенсивном наружном охлаждении требуется, чтобы внутренняя стенка была достаточно тонкой и изготовлена из теплопроводных,материалов, например, из медных сплавов.

Однако с повышением давлений в камере и охлаждающем тракте, которые доходят до десятков мегапаскалей, очень сложно обеспечить высокую прочность конструкции при тонкой стенке из теплопроводных, как правило, малопрочных материалов.

Поэтому наиболее сложным этапом создания камеры является проек­тирование и разработка конструкции охлаждающего тракта, который име­ет много разных форм и силовых связей. Заметим, что от конструкции охлаждающего тракта зависит облик всей конструкции камеры, ee прочность, надежность охлаждения и массовые характеристики. Таким образом, самым главным элементом конструкции камеры сгорания является конструкция охлаждающего тракта. Наиболее простым является охлаждающий тракт, выполненный в виде гладкого щелевого канала, образованного зазором между внутренней и наружной оболочками (рис. 6.3, а и 6). Однако при малом количестве охладителя для обеспечения требуемой скорости те­чения необходимо иметь очень малый зазор щели – меньше 0,4…0,5 мм, что технически выполнить очень трудно. Кроме того, при большом давле­нии в охлаждающем тракте, тонкая внутренняя оболочка легко теряет ус­тойчивость - деформируется из-за недостаточной ее жесткости.

От этих недостатков избавлены охлаждающие тракты с так называ­емыми связанными оболочками, т.е. прочно скрепленными. Впервые их разработал известный советский конструктор А.М. Исаев в 1946 г. (двига­тели У-400 и У-1250). Конструктивных схем охлаждающих трактов со свя­занными оболочками имеется в настоящее время много.

На рис. 6.3, в показан тракт, образованный соединением оболочек электросваркой по специальным выштамповкам - круглым или овальным, выполненным на наружной оболочке.

На рис. 6.4 оболочки соединены пайкой либо через ребра, выфрезеро­ванные на внутренней оболочке (рис. 6.4, а), либо пайкой через специаль­ные гофрированные проставки (рис. 6,4, 6).

В американских двигателях распространены трубчатые конструкции камер. В них корпус камеры сгора­ния и сопла набирается из специальных тонкостенных (до 0,3…0,4 мм) профилированных трубок, изготовленных из теплопроводных материалов, часто на никелевой основе. Трубки соединяются между собой пайкой (рис. 6.5). Для обеспечения прочности трубчатых камер снаружи устанавливаются специальные силовые бандажи, как на отдельных участках, так и в виде сплошной силовой. В некоторых случаях трубки могут размещаться в два слоя. Разновидностью трубчатой конструкции может служить использование U-образных профилей, припаянных к силовой наружной оболочке.

В качестве охладителя в современных двигателях используются окис­литель или горючее, либо оба компонента. Кроме того, для удобства ком­поновки, уменьшения длины подводящих охладитель трубопроводов, а также снижения гидравлического сопротивления охлаждающего тракта охладитель иногда разделяют на несколько расходов, каждый из которых охлаждает какую-либо часть камеры сгорания или сопла. Особенно это характерно при использовании в качестве охладителя водорода. Причем часто для охлаждения камеры вполне достаточно только одной его части расхода. На рис. 6.6 показаны некоторые схемы подвода охладителя в охлаждающий тракт камеры.

Схема а - наиболее простая - весь расход охладителя проходит от среза сопла к головке камеры сгорания. В схеме б концевая часть сома охлаждается частью расхода, так как здесь более низкие тепловые потоки. Эта схема позволяет несколько снизить гидравлические потери в охлаж­дающем тракте, массу и габаритные размеры камеры уменьшением дли­ны подводящих трубопроводов и применением менее габаритного коллектора. Схемы в и г - конструктивно более сложные, но позволяют так­же уменьшить длину подводящих трубопроводов, снизить гидравлическое сопротивление охлаждающего тракта, подавать в области с наибольшими тепловыми потоками (дозвуковая и критическая части сопла) охлади­тель с более низкой температурой.

Схема д - Противоположна схеме а. Здесь охладитель поступает в охлаждающий тракт со стороны смесительной головки. Достоинство схе­мы - уменьшение длины подводящих трубопроводов. Эта схема особен­но хорошо компонуется при трубчатой конструкции камеры. В этом слу­чае охладитель по одной части трубок направляется к срезу сома, а по другой - возвращается к смесительной головке. .

Важным конструктивным элементом камеры является обеспечение равномерного втекания охладителя в охлаждающий тракт по его пери­метру. Для этого устраивают специальные входные коллекторы (рис. 6.7) .

Одно наружное проточное охлаждение камеры не всегда может обес­печить необходимый для надежной работы температурный режим стен­ки на всем ее протяжении. Поэтому, как правило, наряду с наружным охлаждением применяют и внутреннее охлаждение. Оно осуществляется созданием вблизи стенки низкотемпературного пристеночного слоя газа (заградительное охлаждение) или жидкой пленки (завесное охлаждение) на отдельных участках внутренней поверхности стенки.

Заградительное охлаждение стенки осуществляется соответствующим расположением и подбором расходных характеристик форсунок на перифе­рии головки. В этом случае в пристеночном слое создается избыток ка­кого-либо компонента (обычно горючего), что приводит к понижению температуры продуктов сгорания возле стенки. Завесное охлаждение реализуется подачей жидкого компонента (обычно горючего) непосред­ственно на внутреннюю поверхность стенки через отверстия и щели в спе­циальной конструкции - поясе завесы охлаждения. Жидкая пленка и продукты ее разложения, двигаясь по стенке, хорошо ее защищает от воздействия высокотемпературных продуктов сгорания.

Наиболее распространенной конструкцией охлаждающих трактов являются каналы, образованные ребрами (см. рис. 6.4, а) или гофрирован­ными проставками (см. рис. 6.4, б). При таких конструкциях трактов оболочки имеют большое число связей, которые обеспечивают повышен­ную жесткость и прочность камеры. Минимальный шаг между связями t min определяется технологией производства, а максимальный t max - проч­ностью. Уменьшение высоты охлаждающего тракта δ охл часто использу­ется для повышения скорости течения охладителя. Однако из техноло­гических соображений сделать высоту тракта δ охл меньше 1,5 ... 1,8 мм не рекомендуется, так как при пайке может произойти перекрытие сечения канала припоем. Поэтому для повышения скорости течения охладителя, чтобы не уменьшать высоты канала, применяют спиральные винтовые связи (рис. 6.8). Если θ - угол наклона ребер с осью камеры, то скорость течения охладителя W охл ≈ 1/cosθ. Подбирая угол наклона ребер, можно в определенных пределах влиять на скорость течения.

Учитывая, что в соответствии с газодинамическим профилем диаметр сечения сопла непрерывно изменяется, а число связей на определенном участке должно оставаться постоянным, то в соответствии с изменением диаметра сечения сопла будет изменяться на участке и шаг между связя­ми (рис. 6.9).

а) при тракте с ребрами t min = 2,5 мм, t max = 4 ... 6 мм - при пайке твердыми припоями. при диф­фузионной пайке tmin = 2 мм, при­чем допустимую высоту охлаждаю­щего тракта здесь можно снизить до 8 0х כ = 1,2 .. .1,5 мм. Минимальная толщина ребер 8 р = 1 мм;

б) при тракте с гофрами t min =3,5, t max = 5 ... 7 мм. Минимальная толщина гофра 8 г =0,3 мм.

Таким образом, число связей вдоль камеры постоянно будет Изменять­ся, причем при ребрах - ступенями (рис. 6.11, а), а при гофрах _ отдель­ными секциями (рис. 6. 11, б). Технология Изготовления ребер фрезеро­ванием требует удвоения числа ребер в каждой следующей секции: преды­дущие ребра не прерываются, а между ними фрезеруются новые. Число связей - гофр - в соседних секциях произвольное, лишь в начале каждой секции должно быть t ≥ t min , а в конце - t≤ t max.

Естественно, выбор максимальных значений шага между ребрами или гофрами на каждой секции или участке должен быть обоснован прочностными расчетами.

Для одновременного удовлетворения требований надежного охлажде­ния и Прочности внутреннюю стенку камеры сгорания часто приходится изготавливать из разных материалов. Например, на наиболее теплонапряженных участках дозвуковой и критической частей сопла для стенки применяют медные сплавы, а на остальных сталь.

Наконец, сравнивая два вида связей оболочек - с ребрами и гофра­ми, можно отметить следующее.

1. Ребра имеют только один спай - с наружной оболочкой, в то вре­мя как у гофров - два спая, с наружной и внутренней стенками. Учиты­вая, что последний спай "горячий", то, естественно, его прочность меньше "холодного". Следовательно, при использовании гофров прочность связи оболочек при прочих равных условиях будет меньше, чем при применении ребер.

2. Производство ребер путем их фрезерования на внутренней оболоч­ке много проще и надежнее, чем изготовление гофрированных секций.

З. Качество соединения стенки, спаянной с ребрами, легче проконтро­лировать (например, легче расшифровать снимки, полученные на рент­геновской установке). Это объясняется тем, что при гофрах эта работа сильно усложняется из-за накладки одного и другого рядов спаев, а также из-за деформации и перемещения гофров при сборке, вакуумировании, пайке и т.п.

4. При уменьшении шага между ребрами и гофрами гофры в большей степени загромождают проходное сечение охлаждающего тракта, чем реб­ра. Это хорошо видно из рис. 6.12. Заметим, что под коэффициентом загромождения понимается отношение площадей сечения "свободного" охлаждающего тракта, т.е. без загромождающих элементов, к реальному, т.е. загроможденному сечению данного тракта той же высоты.

Большое загромождение проходного сечения охлаждающего тракта требует для обеспечения заданной скорости течения охладителя соответ­ствующего увеличения высоты охлаждающего тракта, что, естественно, увеличит массу камеры. Кроме того, охлаждающий тракт с большим за­громождением будет иметь и повышенное гидравлическое сопротивление.

Все это приводит к тому, что большинство камер двигателей в настоя­щее время имеет в качестве связей фрезерованные ребра, в том числе у даже на сверхзвуковых участках сопла, изготавливаемых из стали.

· Определение задачи камеры сгорания.

· Перечисление требований к горению.

· Описание принципа работы камеры сгорания.

· Утверждение, что низкая скорость распространения фронта пламени является причиной диффузии воздушного потока на входе камеры сгорания.

· Определение терминов «первичный поток» и «вторичный поток».

· Объяснение соотношений смеси топливо:первичный поток и топливо:вторичный поток.

· Описание изменений газовых параметров (p, t, v) в камере сгорания.

· Утверждение, что температура на выходе камеры сгорания находится в диапазоне от 1 000°Cдо 1 500°C.

· Название основных компонентов камеры сгорания и их задач.

· Описание системы трубчатой камеры сгорания, трубчато-кольцевой, кольцевой и камеры с поворотом потока и установление различий между ними.

· Описание принципов работы различных распылительных форсунок.

4.1. ЗАДАЧА КАМЕРЫ СГОРАНИЯ

Камера сгорания должна удерживать горючую смесь воздуха (поступающего из компрессора) и топлива (распыливаемого форсунками топливной системы) для обеспечения максимальной теплоотдачи при относительно постоянном давлении, чтобы подавать на вход турбины равномерно расширившийся, нагретый и ускоренный поток газов. Это непростая задача, но несмотря на это конструкция камер сгорания постоянно совершенствуется для обеспечения более эффективного использования топлива с меньшим загрязнением атмосферы.

Значение эффективности сгорания постоянно возрастает из-за повышения себестоимости топлива и повышение осознания общественностью опасности загрязнений атмосферы выхлопным дымом.

4.2. ДОПУСТИМЫЙ РОСТ ТЕМПЕРАТУРЫ

Существует лимит максимальной температуры газа на выходе камеры сгорания. Он обусловлен материалами, из которых изготовлены лопатки соплового аппарата и турбина. Небольшое превышение этого лимита будет означать возможное нарушение целостности турбины с вероятными катастрофическими последствиями.

4.3. ТРЕБУЕМЫЙ РОСТ ТЕМПЕРАТУРЫ

Современные материалы способны выдерживать температуру газа в камере сгорания 2 000°. На выходе из камеры сгорания температура газа должна быть снижена до 1 000°C- 1 500°C.

Учитывая, что воздух уже подогрет в результате сжатия в компрессоре примерно до температуры 600°C, для дальнейшего роста температуры необходимо добавить соответствующее количество топлива.

Это, разумеется, будет температура газов при работе двигателя на полной мощности. Для пониженных режимов работы потребуется меньший расход топлива в камеру сгорания для поддержания стабильного и эффективного горения в широком диапазоне условий эксплуатации двигателя.

4.4. СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ КЕРОСИНА

Воздух в камеру сгорания поступает приблизительно с той же скоростью, с которой он попадает в воздухозаборник двигателя, не редко скорость составляет 500 футов в секунду.

Скорость распространения пламени керосина – скорость, с которой передняя кромка факела перемещается по пару – составляет только один или два фута в секунду. Если горящий керосин поместить в воздушный поток, перемещающийся со скоростью 500 футов в секунду, он мгновенно сгорит.

Необходимо что-то сделать, чтобы замедлить воздушный поток после выхода компрессора и перед попаданием его в первичную зону – зону внутри камеры сгорания, где он смешивается с топливом и воспламеняется.

На рис. 4.1 показано как снижается скорость и повышается давление воздушного потока после выхода из компрессора и перед входом в камеру сгорания.

Фактически, давление в этой точке является самым высоким в двигателе. Снижение скорости, однако, все еще не достаточное. Необходимо осуществлять дальнейшее снижение скорости потока, чтобы не допустить срыва пламени.

На рис. 4.1 показано, как воздух поступает в первичную зону, проходит через носовую часть перед разделением на поток через перфорированный раструб и лопаточный завихритель.

Рис. 4.1. Разделение потока в камере сгорания

4.5. ПЕРВИЧНЫЙ ВОЗДУХ

Первичный воздух составляет 20% от потока, поступающего в камеру сгорания. Это воздух, который смешивается с топливом и горит.

Проходя через раструб и лопаточный завихритель, скорость потока снижается и начинается рециркуляция, требуемая, если пламя не поджигается.

4.6. ВТОРИЧНЫЙ ВОЗДУХ

Воздух, не попавший в носовую часть, проходит в пространство между жаровой трубой и воздушным корпусом. Часть этого воздуха попадает в жаровую трубу через отверстия для вторичного потока. Вторичный воздух, около 20% от общего количества, взаимодействует с первичным потоком, проходящим через завихритель, и образует тороидальный вихрь – область с низкой скоростью воздушного потока, напоминающий пончик или дымовое кольцо. Это стабилизирует и фиксирует факел и предотвращает перемещение его вдоль жаровой трубы из зоны распылительных форсунок.

Температура газов в центре первичной зоны достигает 2 000°C. Это слишком высокая температура для материалов сопловых лопаток и рабочих лопаток турбины, поэтому требуется дальнейшее понижение температуры газов до выхода из камеры сгорания.

Рис. 4.2. Камера сгорания раннего образца

4.7. ТРЕТИЧНЫЙ ВОЗДУХ

Оставшиеся 60% общего потока, третичный воздух, прогрессивно вводятся в жаровую трубу для охлаждения и разбавления газов до того, как они попадут в турбину. Третичный воздух используется для охлаждения газов в камере сгорания и стенок воздушного корпуса.

Камера сгорания на рис. 4.2 является одной из нескольких, которые применялись в ранних системах трубчатых камер. В более современных конструкциях используются различные методы охлаждения воздушного корпуса, называемые транспирационным охлаждением, когда воздушная пленка проходит между слоями, формирующими стенки воздушного корпуса.

4.8. КОМПОНЕНТЫ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ

На рис. 4.2 показаны некоторые интересные компоненты ступенчатой камеры сгорания.

У большинства ГТД имеется только два воспламенителя . Фактически двигатель хорошо запускается и от одного воспламенителя, однако, имея только два необходимо найти средства распространения пускового пламени между камерами сгорания. Им является соединительное устройство (внутренняя трубка).

Стазу после поджига пламя в камере с воспламенителем вызывает там рост давления. Перепад давлений между данной камерой и сопряженной приводит в движение горючие газы, они проходят через соединительной устройство и поджигают смесь.

Этот процесс в двигателе продолжается по кругу, пока смеси по всех камерах не будут подожжены, когда давления в камерах сравняются, и поток через соединительное устройство не иссякнет.

Уплотнительное кольцо со стороны турбины допускает удлинение камеры сгорания из-за температурного расширения. Камера со стороны компрессора зафиксирована болтами и не может расширяться в этом направлении. Уплотнительное кольцо, поддерживающее герметичность газового тракта, допускает расширение камеры внутрь сопловой коробки – части двигателя непосредственно примыкающей к сопловым лопаткам .

Гофрированные соединения пропускают третичный поток в жаровую трубу, вызывая постепенное уменьшение температуры газов до попадания в сопловой аппарат.

4.9. КОНСТРУКЦИЯ ТРУБЧАТОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ

Конструкция прямолинейной трубчатой камеры сгорания была усовершенствована на базе оригинальной разработки сэра Франка Уиттла. Она использовалась на некоторых ранних двигателях с осевым потоком и до сих пор используется на двигателях с центробежными компрессорами, такими как Rolls-Royce Dart.

Она состоит из восьми или более камер, показанных на рис. 4.2, расположенных вокруг корпуса двигателя позади секции компрессора. Каждая камера представляет собой жаровую трубу с индивидуальным воздушным корпусом.

На рис. 4.3 показана система трубчатой камеры сгорания, аналогичная применяемой на Rolls-RoyceAvon, который был мощным (для того времени) двигателем с осевым компрессором, используемым на протяжении долгого времени для многих различных типов военных и коммерческих самолетов,

На рис. 4.3 хорошо видна носовая часть (заборник первичного воздуха), соединительное устройство и дренажные трубки .

Дренажные трубки предназначены для случая отказа на запуске, более известного как ложный запуск. Это происходит, когда смесь в камерах сгорания не воспламеняется во время старта.

В двигатель будет подано значительное количество топлива, и если его не удалить перед следующим запуском, получим очень длительный высокотемпературный и опасный выброс пламени из задней части двигателя.

Рис. 4.3. Система трубчатой камеры сгорания (основано на оригинальных чертежах фирмы Rolls-Royce)

4.10. СИСТЕМА ДРЕНАЖА ТОПЛИВА

В настоящее время известны два способа удаления топлива из двигателя. Первый – с помощью дренажной системы, второй – путём испарения локальных остатков в камерах сгорания и реактивном сопле. В дренажной системе применяются дренажные трубки, которые соединяют самую нижнюю часть каждой камеры с камерой, расположенной ниже.

Топливо, оставшееся после ложного запуска, будет стекать из верхней части двигателя в нижнюю камеру. Оказавшись в нижней камере, топливо будет удаляться через подпружиненный дренажный клапан, расположенный в положении «на 6 часов». Во время нормальной работы двигателя внутреннее давление удерживает клапан в закрытом положении.

Для испарения любых локальных остатков топлива из камер сгорания выполняется прокрутка двигателя в цикле продувки.

С помощью мотора стартера двигатель прокручивается в течение времени, соответствующего нормальному циклу полного запуска, с отключением подачи топлива ВД и системы зажигания. Камера сгорания будет продуваться сжатым воздухом, что способствует испарению любых остатков топлива.

4.11. КОНСТРУКЦИЯ ТРУБЧАТО-КОЛЬЦЕВОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ

Конструкция трубчато-кольцевой камеры сгорания, показанная на рис. 4.4, иногда называется турбо-кольцевой.

Рис. 4.4. Система трубчато-кольцевой камеры сгорания (основано на оригинальных чертежах Rolls-Royce)

Она отличается от системы трубчатой камеры тем, что не имеет индивидуальных воздушных корпусов для каждой жаровой трубы. В результате получается более компактное по размерам устройство, заключающее в общем воздушном корпусе несколько жаровых труб. Данная иллюстрация является одной из нескольких, на ней показан воспламенитель.

4.12. КОНСТРУКЦИЯ КОЛЬЦЕВОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ

Конструкция кольцевой камеры сгорания имеет только одну жаровую трубу, окруженную внешним и внутренним воздушными корпусами. Типичный пример такой камеры приведен на рис.4.5 и 4.5а.

Рис. 4.5. Кольцевая камера сгорания (основано на оригинальных чертежах Rolls-Royce)

Рис. 4.5а. Детализированное изображение кольцевой камеры сгорания (основано на оригинальных чертежах Rolls-Royce)

Система кольцевой камеры сгорания имеет несколько преимуществ над двумя остальными описанными ранее типами камер, из которых она и была создана:

a) Для той же выходной мощности длина кольцевой камеры составляет только 75% от длины трубчато-кольцевой камеры такого же диаметра.

b) Отсутствуют проблемы с распространением пламени.

c) По сравнению с трубчато-кольцевой системой площадь воздушного корпуса меньше, соответственно, требуется меньше охлаждающегося воздуха.

d) Эффективность сгорания увеличена до точки, где несгоревшее топливо фактически отсутствует, происходит окисление оксида углерода до нетоксичного диоксида углерода.

e) Происходит намного лучшее распределение давления газов, проходящих в турбину, поэтому передаваемая нагрузка более равномерная.

4.13. СООТНОШЕНИЕ ВОЗДУХ/ТОПЛИВО (СТЕХИОМЕТРИЧЕСКОЕ ОТНОШЕНИЕ)

Чтобы получить максимальную теплоотдачу, как указано в параграфе 4.1, нужно использовать химически правильное соотношение воздух/топливо 15:1. Если у поршневого двигателя такое соотношение может вызвать детонацию и нарушение работы, у ГТД таких проблем не возникает, т.к. отсутствуют благоприятные для них пиковые давления.

Топливо и воздух смешиваются и горят в первичной зоне в весовом соотношении 15 частей воздуха на 1 часть топлива. При добавлении вторичного и третичного потока смесь разбавляется, поэтому общее соотношение может составлять от 45:1 до 130:1.

4.14. ПОТЕРИ ДАВЛЕНИЯ В КАМЕРЕ

В параграфе 4.4 говорилось, что горение теоретически происходит при постоянном давлении. Фактически, как показано на рис. 1.5, существуют небольшие потери давления по тракту камеры сгорания.

Они вызваны необходимостью создавать правильное завихрение потока и смешение. Потери могут составлять от 3% до 8% от давления на входе камеры сгорания.

4.15. СТАБИЛЬНОСТЬ СГОРАНИЯ

При нормальных условиях работы двигателя горение поддерживается самостоятельно. Система зажигания может быть эффективно отключена при наборе двигателем самоподдерживающейся частоты – частоты после запуска, при которой двигатель может разгоняться без помощи мотора стартера.

Существуют определенные условия работы двигателя, для которых требуется зажигание, например, при срыве пламени – погасании пламени из-за различных ненормальных условий: при всасывании большого количества воды во время взлета с загрязненной ВПП.

Другой причиной погасания пламени может служить слишком бедная смесь. Такая ситуация может возникнуть при сбрасывании газа во время снижения, когда возникает низкий расход топлива при большом расходе воздуха.

Стабильность сгорания означает плавность горения и способность поддерживать его в широком диапазоне соотношений смеси и массовых расходов воздуха. На рис. 4.6 приведены ограничения по стабильности сгорания.

Из графиков на рис. 4.6 видно, что стабильность сгорания будет достигаться только между границами, которые постоянно сужаются с увеличением массового расхода воздуха. Диапазон между пределами обогащения и обеднения уменьшается с увеличением массового расхода воздуха до определенной точки погасания пламени.

Петля зажигания внутри границ зоны стабильность показывает, что инициировать горение сложнее, чем поддерживать его после зажигания.

Из этого следует, что при срыве пламени в двигателе на высокой скорости или большой высоте может потребоваться уменьшение обоих параметров до получения успешного повторного зажигания.

Рис. 4.6. Типичная петля стабильности сгорания

4.16. ПОВТОРНОЕ ЗАЖИГАНИЕ

Как говорилось ранее, способность двигателя к повторному зажиганию будет меняться, в зависимости от высоты и поступательной воздушной скорости самолета. На рис. 4.7 показан смысловой диапазон повторного зажигания, отражающий условия полета, в которых будет гарантировано повторное зажигание работоспособного двигателя.

Воздушный поток в двигателе будет вызывать его вращение (авторотацию), поэтому компрессор будет подавать достаточно воздуха, и требуется только открытие топливного крана ВД и активация системы зажигания.

Это получается с помощью выбора переключателя повторного зажигания, который функционирует отдельно от нормального цикла запуска.

Рис. 4.7. Диапазон повторного зажигания

4.17. ЭФФЕКТИВНОСТЬ СГОРАНИЯ

Эффективность сгорания – это эффективность, с которой камера сгорания извлекает потенциальную теплоту, фактически содержащуюся в топливе. Современные ГТД имеют очень эффективный цикл сгорания.

При работе на высокой мощности достижимая эффективность сгорания составляет 99%, а на малом газе она достигает 95%. Это показано на рис. 4.8. На рис. также показано полное соотношение воздух/топливо в нормальном диапазоне работы двигателя.

Рис. 4.8. Эффективность сгорания и соотношение воздух/топливо

4.18. ТОПЛИВНЫЕ РАСПЫЛИТЕЛЬНЫЕ ФОРСУНКИ

Высокая эффективность сгорания, описанная выше, во многом зависит от распылительных топливных форсунок, используемых в больших современных ГТД. Задачей форсунок является распыление или испарение топлива для обеспечения полного сгорания. Это непростая задача, учитывая скорость воздушного потока из компрессора и небольшое доступное расстояние для горения внутри камеры сгорания.

Другой проблемой являются относительно низкие давления, создаваемые топливным насосом ВД с приводом от двигателя во время запуска. Насосы с приводом от высокоскоростной коробки приводов во время запуска вращаются с минимальной скоростью и не способны на такой скорости создавать высокие давления (1 500 – 2 000 psi), требуемые для получения хорошего факела распыла, рис. 4.9.

Рис. 4.9. Факелы распыла топлива при различных давлениях

Хорошо видно, что отверстие фиксированного размера создает хороший факел распыла только при высоком давлении топлива. Для получения достаточной атомизации на запуске при низких давлениях топлива необходимо разработать определенные методы.

4.19. СИСТЕМА ВОЗДУШНОГО РАСПЫЛЕНИЯ

Одним из принципов получения требуемого факела распыла является дробление потока топлива высокоскоростным воздушным потоком – система воздушного распыления. Для этой системы требуются относительно низкие давления топлива, поэтому она может работать с использованием шестеренных насосов, которые намного легче и совершеннее плунжерных.

Рис. 4.10. Форсунка с воздушным распылением (основано на оригинальных чертежах фирмы Rolls-Royce)

4.20. СДВОЕННАЯ СИСТЕМА

Для отверстий подачи изменяемого сечения используется сдвоенная система, показанная на рис. 4.11. При низких давлениях топлива нагнетательный клапан закрывает основной канал подачи топлива к форсунке, и топливо подается только по первичному (пусковому) каналу.

Пусковой канал питает первичное отверстие, которое имеет маленькое сечение и способно формировать хороший факел распыла при низких давлениях. Когда во время запуска двигатель разгоняется, давление топлива возрастает и открывает нагнетательный клапан, пропуская топливо через основное отверстие для дополнения подачи из пускового отверстия.

Рис. 4.11. Сдвоенная топливная распылительная форсунка (основано на оригинальных чертежах фирмы Rolls-Royce)

4.21. СИСТЕМА ИСПАРИТЕЛЬНЫХ ТРУБОК

В испарительном методе, рис. 4.12, топливо из трубок подачи распыляется в испарительные трубки, находящиеся внутри жаровой трубы. Первичный воздух подается в жаровую трубу через отверстие в топливной трубке, а также через отверстия во входной секции жаровой трубы. Поток топлива разворачивается на 180 градусов, и, т.к. трубки подогреваются в процессе горения, топливо испаряется до попадания в жаровую трубу.

Рис. 4.11. Испарительный метод подачи топлива

ГЛАВА 5 – ТУРБИНА

Камера сгорания двигателя периодического действия

Камера сгорания двигателя - объём, образованный совокупностью деталей двигателя в котором происходит сжигание горючей смеси . Конструкция камеры сгорания определяется условиями работы и назначением механизма; как правило используются жаропрочные материалы . В зависимости от температуры , развиваемой в камере сгорания непрерывного действия, в качестве конструкционных материалов для их изготовления применяют:

• до 500 °С - хромоникелевые стали ;
• до 900 °С - хромоникелевые стали с добавкой титана ;
• выше 950 °С - специальные материалы.

Камера сгорания - это замкнутое пространство, полость для сжигания газообразного, или жидкого топлива в двигателях внутреннего сгорания .
Камера сгорания газотурбинного двигателя - устройство, в котором в результате сгорания топлива повышается температура поступающего в него воздуха (газа).

Класификация

По принципу действия

• Непрерывного действия (для газотурбинных двигателей (ГТД), турбореактивных двигателей (ТРД), воздушно-реактивных двигателей (ВРД), жидкостных ракетных двигателей (ЖРД)).
• Периодического действия (для поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС));

Камеры сгорания непрерывного действия в свою очередь класифицируют:
По назначению

• Основные;
• Резервные;
• Промежуточного подогрева;

По направлению потока воздуха и продуктов сгорания

• прямоточные;
• противоточные камеры сгорания (последние применяют редко из-за большого гидравлического сопротивления).

По компоновке

• Встроенные;
• Выносные;

По конструктивных особенностях корпуса и жаровой трубы

• Кольцевые;
• Трубчато-кольцевые;
• Трубчатые;

Камеры сгорания периодического действия в свою очередь класифицируют:
По используемому топливу

• Бензиновые;

По конструкции бензиновые камеры сгорания разделяют:

• • Боковая
  • Центральная
  • Полуклиновая
  • Клиновая
• Дизельные.

По конструкции дизельные камеры сгорания разделяют:

• • Неразделенные (имеют только одно отделение, в котором происходит и смесеобразование, и сгорание топлива)
  • Разделенные (разделены на две части: основную и дополнительную, соединены между собой горловиной. При этом топливо впрыскивается в дополнительную камеру)

По способу смесеобразования

• • Обьемное (для неразделенных камер сгорания);
  • Пленочное;
  • Комбинированные.

Камера сгорания непрерывного действия

Камера сгорания непрерывного действия относятся к числу важнейших узлов авиационных и космических двигательных установок, специальных и транспортных газотурбинных установок, которые находят широкое применение в энергетике, химической промышленности, на ж.-д. транспорте, морских и речных судах.

Принцип работы

Камера сгорания является узлом газотурбинного двигателя (ГТД), в котором происходит приготовление и сжигание топливовоздушной смеси . Для приготовления топливовоздушной смеси в камеру сгорания подводится через форсунки топливо и поступает воздух из компрессора . В процессе запуска двигателя поджог топливовоздушной смеси производится электрической искрой (или пусковым устройством), а при дальнейшей работе процесс горения поддерживается непрерывно вследствие контакта образующейся топливовоздушной смеси с раскаленными продуктами сгорания. Образовавшийся в камере сгорания газ направляется в турбину компрессора.

Устойчивость и совершенство процессов в камере сгорания в значительной степени обеспечивают надежную и экономичную работу газотурбинного двигателя.

Требования, предъявляемые к камере сгорания непрерывного действия

• Устойчивость процесса горения при всех возможных режимах и полетных условиях. Необходимо, чтобы сгорание топлива было непрерывным и не было срыва пламени или пульсационного горения , что может вызвать самовыключение двигателя. В процессе изменения режима работы двигателя и полетных условий изменяется соотношение топлива и воздуха, поступающих в камеру сгорания, т.е. изменяется качество смеси.
• Обеспечение равномерного поля температуры газов перед турбиной. Обычно камеры сгорания имеют несколько форсунок для подвода топлива, поэтому имеется тенденция к получению зон различной температуры на выходе газов из камеры сгорания. Значительная неравномерность поля температур газов может приводить к разрушению турбинных лопаток.
• Минимальная длина факела пламени, т.е. процесс сгорания, должен заканчиваться в пределах камеры сгорания. В противном случае пламя доходит до лопаток соплового аппарата, что может привести к их прогару.
• Надежность в эксплуатации, большой срок службы, удобство контроля и технического обслуживания. Обеспечение длительной и надежной работы камеры сгорания достигается как рядом конструктивных мероприятий, так и строгим соблюдением правил летной и технической эксплуатации. Для максимального выполнения перечисленных требований каждому типу двигателя подбирается соответствующий тип камеры сгорания.

Камера сгорания периодического действия

Камера сгорания работающей на бензине

Бензиновый двигатель с клиновой камерой сгорания

Полусферическая камера сгорания

Конструкции камер сгорания автомобильных двигателей различны. У двигателей с верхним расположением клапанов применяют центральные камеры, а также камеры полуклинового и клинового типов. При нижнем расположении клапанов основной объем камеры сгорания смещен в сторону от оси цилиндра (Г-образная форма); такая конструкция камеры способствует усилению завихрения горючей смеси и улучшает смесеобразование. На современных двигателях широко применяют камеры сгорания полуклинового и клинового типов.

Клиновая камера сгорания - полученная из плоскоовальной наклоном клапанов для получения лучшей формы газовых каналов. Свеча зажигания в этом случае сдвинута в сторону выпускного клапана, движение заряда в камере направлено к свече. У клинообразной камеры сгорания большая часть ее объема сконцентрирована возле свечи, благодаря чему сначала должно сгорать наибольшее количество заряда, а в самой удаленной от свечи зоне камеры сгорания, где имеется опасность детонации, должно находиться сравнительно небольшое количество переохлажденной смеси в зазоре вытеснителя. Такая камера обеспечивает мягкое сгорание и низкие тепловые потери . Жесткость работы двигателя оценивается скоростью нарастания давления, т. е. повышением давления в цилиндре при повороте коленчатого вала на решающее значение имеет участок поворота, соответствующий интервалу между образованием искрового разряда (воспламенение смеси) и ВМТ. Мягким считается процесс сгорания, при котором скорость нарастания давления лежит в пределах 0,2 – 0,6 МПа на 1° угла поворота коленчатого вала. Уровень шума при работе двигателя зависит также от зазоров между поршнем и цилиндром и между валом и его подшипниками.

Широко применявшаяся ранее полуклиновая камера сгорания претерпевает в настоящее время изменения. Камера такой формы применяется у двигателей спортивных, гоночных автомобилей для достижения высокой удельной мощности. При использовании в головке цилиндра двух распределительных валов и большом угле развала клапанов можно разместить в головке цилиндра клапаны большого диаметра. При этом поверхность камеры сгорания по отношению к ее объему достаточно мала. Обеспечивается также хорошее втекание заряда через клапаны в цилиндр, поскольку ему не препятствуют стенки цилиндра или камеры сгорания. Впускной и выпускной каналы имеют небольшую длину и малую поверхность. Двигатели с такой камерой сгорания имеют довольно высокий КПД .

Камера сгорания дизельного топлива

а - Полусферическая неразделенная камера сгорания для объемного смесеобразования
б – тороидальная неразделенная камера сгорания для объемного смесеобразования
г - Неразделенные камеры сгорания для пленочного смесеобразования
д - неразделенные камеры сгорания для комбинированного смесеобразования

У дизельных двигателях требования к форме камеры сгорания определяются процессом смесеобразования. Для создания рабочей смеси в них отводится очень малое время, так как почти сразу после начала впрыска топлива начинается сгорание, и остаток топлива подается уже в горящую среду. Каждая капля топлива должна войти в соприкосновение с воздухом как можно быстрее, чтобы выделение теплоты произошло в начале хода расширения.

Пленочное смесеобразование применяется в ряде конструкций камер сгорания, когда почти все 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 объемным 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 счет 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 объеме заряда. На поверхности камеры оседает 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 объеме камеры сгорания, и сближает процесс с объемным смесеобразованием. Форсунки применяют с распылителями, имеющими 3–5 сопловых отверстий

Камеры сгорания с обьемным смесеобразованием . 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 счет кинетической энергии , сообщаемой топливу при впрыске. Для равномерного распределения топлива в камере форсунки таких двигателей часто выполняют с несколькими отверстиями.

Требования ко всем камерам сгорания двигателя

Основные требованиями для всех камер сгорания непрерывного действия являются:

• устойчивость процесса горения
• высокая теплонапряжённость
• максимальная полнота сгорания
• минимальные тепловые потери
• надёжная работа в течение установленного ресурса работы двигателя.

См.также

Литература

• Ионин А.А. основная и форсажная камеры сгорания турбореактивного двигателя / Ненишев А.С., Лебедев В.М.. - Омск: ОмГТУ, 2005. - 92 с.