Форма камеры сгорания двс. Конструктивные особенности камеры сгорания и сопла. Камера сгорания непрерывного действия
Гидравлические потери в свою очередь можно разделить на составляющие потери: в диффузоре в кольцевых каналах на втекание воздуха в отверстия жаровой трубы и элементы фронтового устройства ФУ на смешение струй. её объем характеризуются величиной удельной теплонапряженности Qv которая равна отношению количества тепла выделившегося в единицу времени к объему жаровой трубы и давлению на входе в КС: где низшая теплотворная способность топлива Дж кг; секундный расход топлива кг с; объем жаровой трубы м; давление...
Поделитесь работой в социальных сетях
Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск
Лекция 5
КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГТД
В «простом» термодинамическом цикле ГТД к потоку рабочего тела подводится тепло. В ГТД этот процесс осуществляется в камере сгорания (КС). Тепло подводится за счет сгорания топлива, то есть преобразования химической энергии топлива в тепловую, при этом температура рабочего тела возрастает от значения Т * к (за компрессором) до Т * г (на входе в турбину).
Реальный процесс в КС отличается от идеального наличием потерь давления. Потери давления в КС складываются из гидравлических потерь (потерь трения) и потерь от подвода тепла к потоку рабочего тела. Гидравлические потери, в свою очередь, можно разделить на составляющие потери:
В диффузоре,
В кольцевых каналах,
На втекание воздуха в отверстия жаровой трубы и элементы фронтового устройства (ФУ),
На смешение струй.
Кроме потерь давления процессы в КС сопровождаются потерями тепла за счет его рассеивания в окружающее пространство и за счет неполного сгорания топлива. Потери тепла в окружающее пространство по сравнению с количеством тепла, подводимым к рабочему телу, в КС ТРД составляют 0,005...0,01 %.
Экономичность двигателя находится в прямой зависимости от полноты сгорания топлива. В современных ГТД процесс сгорания топлива в КС достаточно хорошо организован, поэтому полнота сгорания топлива в них достигает величины =0,995...0,999.
5.1. Требования к КС
К КС кроме общих требований предъявляются специфические требования. Рассмотрим их подробнее.
Минимальные габаритные размеры КС . Они влияют на продольные и поперечные размеры двигателя, и следовательно, на его массу. Обычно габариты КС (т.е. её объем) характеризуются величиной удельной теплонапряженности Q v , которая равна отношению количества тепла, выделившегося в единицу времени, к объему жаровой трубы и давлению на входе в КС:
где - низшая теплотворная способность топлива (Дж / кг );
Секундный расход топлива (кг / с );
Объем жаровой трубы (м );
Давление воздуха (Па ).
Чем больше теплонапряженность при заданном расходе топлива, тем меньше объем КС. Теплонапряженность КС современных ГТД составляет (3,5...6,5)10 6 (Дж/ч·м 3 ·Па).
Высокая полнота сгорания топлива на всех режимах работы двигателя. Полнота сгорания топлива характеризуется коэффициентом полноты сгорания, под которым обычно понимают отношение количества тепла, выделившегося при сгорании единицы массы топлива, к его теплотворной способности.
Минимальные потери полного давления в КС. Потери характеризуются коэффициентом восстановления полного давления:
В современных КС коэффициент восстановления полного давления составляет 0,94...0.96.
Широкие пределы устойчивого горения . Пределы устойчивого горения определяются условиями эксплуатации самолета. Пламя не должно гаснуть в заданном диапазоне изменения отношения топлива/воздух, давления, скорости и при попадании на вход двигателя воды, льда и посторонних предметов.
В земных условиях розжиг должен быть обеспечен в диапазоне температур от минус 40° до плюс 40 °С.
Отсутствие пульсаций давления (вибрационного горения).
Поле температур на выходе из КС. Поле температур должно в радиальном направлении иметь эпюру, определяемую предельно допустимыми напряжениями в рабочих лопатках турбины и соплового аппарата. Конкретный характер эпюры температур по радиусу лопатки выбирают в зависимости от конструктивных особенностей турбины (величины и формы рабочей лопатки, ее материала, способа охлаждения и т.д.).
Уровень выбросов дыма (SN (Smoke number)), несгоревшего топлива и газообразных веществ, загрязняющих атмосферу - оксидов азота (NOx), оксидов углерода (СО), несгоревших углеводородов (НС) - должен соответствовать международным нормам ИКАО.
На элементах конструкции КС не должен откладываться нагар .
Наземные ГТД должны иметь возможность работы на жидких и газообразных топливах самых различных сортов и должны обеспечивать повышенное удобство в техническом обслуживании и высокую ремонтопригодность.
5.2. Схемы КС
При всем разнообразии конструкций КС ее схему и происходящие в ней процессы можно представить следующим образом (рис. 5.1).
Рис. 5.1. Общая схема и распределение воздуха в КС:
1 - диффузор; 2 - кольцевые каналы; 3 - корпус КС; 4 - жаровая труба;
5 - отверстия первичной зоны; 6 - отверстия зоны смешения; 7 - отверстия охлаждения;
8 - топливная форсунка; 9 - фронтовое устройство; 10 - свеча зажигания
Воздух поступает из компрессора в КС с большой скоростью - в современных двигателях до 150 м / с . Потери полного давления в КС при подводе тепла к потоку, движущемуся с такой скоростью, были бы недопустимыми и достигали бы четвертой части повышения давления воздуха в компрессоре. Для снижения потерь давления и преобразования части кинетической энергии в прирост статического давления скорость воздушного потока после компрессора должна быть значительно снижена. Поэтому на всех ГТД после компрессора располагается диффузор 1. Далее воздух поступает в кольцевые каналы 2 между корпусом 3 и жаровой трубой 4, а затем в жаровую трубу. В жаровой трубе воздух распределяется по отверстиям двух условных зон - зоны горения 5 (первичная зона) и зоны смешения 6. Кроме этого, воздух также поступает в отверстия 7 для охлаждения горячих стенок жаровой трубы. Топливо подается в жаровую трубу через форсунки 8. В первичной зоне с помощью фронтового устройства (ФУ) 9 организуется зона с малыми скоростями. В этой зоне процесс горения поддерживается за счет циркуляционного течения продуктов сгорания, непрерывно поджигающих свежую топливовоздушную смесь (TBC). При запуске двигателя воспламенение TBC в КС осуществляется с помощью электрической свечи 10 или воспламенителя.
Циркуляционное течение в первичной зоне обеспечивает стабильность и эффективность горения. Отношение расхода топлива и воздуха в первичной зоне является важнейшим фактором, влияющим на процесс горения и рабочие характеристики КС. Для обеспечения устойчивого процесса горения на всех режимах работы двигателя в первичную зону подается только часть воздуха. В зависимости от способа сжигания топлива это количество воздуха может меняться. На рис. 5.1 приведено распределение воздуха в жаровой трубе для типичной КС, где 20 % воздуха поступает во ФУ, а 80 % в жаровую трубу (20 % в зону горения, 20 % в зону смешения и 40 % на охлаждение стенок). Иногда первичную зону (зону горения) разделяют на две зоны - зону циркуляции и зону догорания топлива (промежуточную зону).
В зоне смешения продукты сгорания разбавляются воздухом до требуемой температуры, тем самым на выходе из КС формируется стабильное и оптимальное поля температур для обеспечения работоспособности турбины.
5.2.1. Основные схемы КС
В зависимости от назначения ГТД наземного применения, вида используемого топлива, параметров рабочего цикла и тепловой схемы применяются КС различных конструкций. С точки зрения расположения на двигателе КС можно условно разделить на две группы: выносные и встроенные.
Выносные КС размещаются в отдельном силовом корпусе с одной жаровой трубой параллельно или под углом к продольной оси ГТД (рис. 5.3).
Рис. 5.3. КС двигателя фирмы «Rolls-Royce»:
1 - жаровая труба; 2 - газосборник; 3 - турбина высокого давления; 4 - завихритель;
5 - форсунка; 6 - воспламенитель; 7 - диффузор; 8 - воздушный канал
Здесь каждая жаровая труба 1 имеет наружный силовой корпус 2, который легко отсоединяется от общего корпуса КС. Благодаря этому жаровую трубу можно извлечь и осмотреть, а также можно осмотреть сопловой аппарат первой ступени турбины. Жаровая труба телескопически соединена с газосборником 3, который закреплен с помощью опоры 4. Жаровая труба имеет фронтовое устройство 5 с топливной форсункой 6 и свечу зажигания 7. Для обеспечения равномерной подачи воздуха в жаровую трубу и улучшения условий охлаждения ее стенки предусмотрен дефлектор 8. Часть воздуха 9 после компрессора поступает в жаровую трубу в качестве охлаждающего воздуха 10.
Выносные КС с отдельными жаровыми трубами удобно обслуживать и ремонтировать, они проще в доводке, удешевляют разработку различных устройств, уменьшающих образование вредных выбросов. Кроме этого, длинные газосборники между жаровыми трубами и турбиной создают хорошие условия для перемешивания продуктов сгорания. К недостаткам выносных КС можно отнести большие размеры с развитой поверхностью охлаждения и более сложные условия для компенсации тепловых расширений газосборников.
Встроенные КС позволяют уменьшить общие габариты и массу ГТД, снизить количество модулей.
Наибольшее распространение в ГТД получили три схемы КС - трубчатые, трубчато-кольцевые и кольцевые.
В трубчатой КС каждая жаровая труба имеет отдельный корпус и образует индивидуальную трубчатую КС (рис. 5.2).
Рис. 5.2. Трубчатая КС:
1 - внутренний корпус двигателя; 2 - корпус; 3 - фланец соединения с компрессором;
4 - пламеперебрасывающая муфта; 5 - дренажная труба; 6 - противопожарная перегородка; 7 - форсунка; 8 - коллектор первого контура; 9 - коллектор второго контура;
10 - диффузор; 11 - заборник первичного воздуха
В ГТД КС такой схемы выполняют в виде блока из нескольких индивидуальных трубчатых КС. Трубчатая КС с индивидуальными трубчатыми КС, расположенными вокруг внутреннего корпуса 1 двигателя. Корпуса 2 каждой индивидуальной КС соединяются с выходом компрессора при помощи фланца 3. Между собой корпуса индивидуальных КС и жаровые трубы соединены муфтами 4 для переброса пламени при розжиге TBC и выравнивания давления между жаровыми трубами. Кроме того, корпуса КС соединены между собой дренажными трубами 5 для слива топлива при неудавшемся запуске двигателя.
Топливо в КС подается через форсунки 7. Топливо к форсункам подается через коллектор 8 первого контура и коллектор 9 второго контура. На входе в КС расположен диффузор 10.
Трубчато-кольцевая КС также состоит из нескольких отдельных жаровых труб и газосборников, но располагаются они в общем кольцевом канале между корпусами. На рис. 5.3 показана трубчато-кольцевая КС.
Рис. 5.3. Трубчато-кольцевая камера сгорания:
1 - наружный корпус КС; 2 - внутренний корпус КС; 3 - жаровая труба; 4 - наружное кольцо газосборника; 5 - внутреннее кольцо газосборника; 6 - силовая стойка;
7 - наружное кольцо диффузора; 8 - внутреннее кольцо диффузора; 9 - полость отборов воздуха; 10 - фланцы отбора воздуха; 11 - форсунка; 12 - топливный коллектор первого контура; 13 - топливный коллектор второго контура; 14 - трубопроводы подвода топлива к форсунке; 15 - свечи зажигания; 16 - пламеперебрасывающий патрубок;
17-пламеперебрасывающая муфта; 18 - подвеска жаровой трубы; 19 - отверстия первичной зоны; 20 - отверстия зоны смешения; 21 - рамочный фланец жаровой трубы;
22 - сопловой аппарат ТВД; 23 - перепускная труба; 24 - лючок осмотра
КС комбинированного типа с двенадцатью жаровыми трубами и кольцевым газосборником. Применение кольцевого газосборника отличает представленную КС от обычных схем трубчато-кольцевых КС с индивидуальными газосборниками.
Наружный 1 и внутренний 2 корпусы образуют кольцевой канал, в котором располагаются жаровые трубы 3 и кольцевой газосборник, состоящий из наружного 4 и внутреннего 5 колец. Кроме того, наружный и внутренний корпусы вместе со скрепляющими их двенадцатью силовыми стойками 6 входят в силовую схему двигателя. На входе в КС наружное кольцо 7 и внутреннее 8 диффузора образуют кольцевой диффузорный канал с безотрывным течением в начальном участке и с внезапным расширением потока на выходном участке. Наружное кольцо 7 диффузора образует вместе с наружным корпусом полость 9, з которой через фланцы 10 осуществляется отбор воздуха на агрегаты системы автоматического регулирования двигателя.
На корпус КС устанавливается двенадцать топливных форсунок 17, коллекторы первого 12 и второго 13 контуров с двадцатью четырьмя трубопроводами 14 подвода топлива к форсункам. Для розжига TBC в КС в двух жаровых трубах установлены по одной свече зажигания 15. Воспламенение топлива в других жаровых трубах происходит через пламеперебрасывающие патрубки 16, соединенные пламеперебрасывающими муфтами 17.
Жаровые трубы фиксируются от перемещения в радиальном направлении в передней части при помощи форсунок, а в задней - опираются на кольца газосборника. В осевом направлении десять из двенадцати жаровых труб фиксируются при помощи подвесок 18, а две жаровые трубы - при помощи свечей зажигания. В стенках жаровых труб выполнено два ряда отверстий 19 и 20 для подвода воздуха в первичную зону и зону смешения, соответственно. По боковым поверхностям фланцев 21 жаровые трубы стыкуются между собой, а по верхним и нижним поверхностям телескопически сопрягаются с кольцами газосборника. Кольца газосборника образуют кольцевой канал, в котором происходит формирование на выходе из КС газового потока с наименьшей неравномерностью температур и давлений по окружности и необходимой радиальной эпюрой. Задняя часть кольца газосборника наружного является корпусом соплового аппарата 22 ТВД.
На фланцы наружного корпуса установлены двенадцать перепускных труб 23, которые проходят через проточную часть КС и вставляются во втулки на корпусе внутреннем. Через перепускные трубы проходят трубопроводы масляной, воздушной и суфлирующей систем двигателя, а также сообщается с наружным контуром полость, расположенная под корпусом внутренним. Для эндоскопического контроля КС на наружном корпусе расположены двенадцать лючков 24.
В кольцевой КС (рис. 5.4) между образующими кольцевой канал наружным 1 и внутренним 2 корпусами устанавливается одна жаровая труба 3.
Корпуса КС вместе с направляющим аппаратом 4 компрессора входят в силовую схему двигателя. На выходе из направляющего аппарата компрессора установлено кольцо диффузора наружное 5, которое вместе со стенкой внутреннего корпуса образует кольцевой диффузор.
Рабочий объем жаровой трубы представляет собой кольцевое пространство между наружной 6, внутренней 7 стенками и фронтовой плитой 8.
Рис. 5.4. Кольцевая КС:
1 - наружный корпус; 2 - внутренний корпус; 3 - жаровая труба; 4 - направляющий аппарат компрессора; 5 - кольцо диффузора наружное; 6 - наружная стенка жаровой трубы; 7 - внутренняя стенка жаровой трубы; 8 - фронтовая плита; 9 - подвеска жаровой трубы; 10 - пояс системы охлаждения; 11 - отверстия перфорации; 12 - отверстия подвода воздуха в первичную зону; 13 - отверстия зоны смешения; 14 - козырек; 15 - втулка;
16 - топливная форсунка; 17- топливный коллектор; 18 - полость отборов воздуха;
19 - фланец отбора воздуха; 20 - внутренняя стенка наружного корпуса; 21 - сопловой аппарат турбины
От перемещения вдоль оси двигателя жаровая труба зафиксирована подвесками 9. Стенки жаровой трубы изготовлены точением. Воздух на охлаждение стенок подается через несколько поясов отверстий 10. Кроме того, для местного охлаждения в стенках имеется перфорация 11 из мелких отверстий. Для организации горения воздух в жаровую трубу поступает во ФУ, в отверстия 12 первичной зоны и отверстия 13 зоны смешения. Для увеличения пробивной способности струй воздуха в отверстия установлены козырьки 14 и втулки 15. Топливо в КС подается через форсунки 16 с воздушным pacпылом. Топливо к форсункам поступает по коллекторам 17. Наружное кольцо диффузора образует вместе с наружным корпусом полость 18, из которой через фланцы 19 отбирается воздух.
Наружный корпус КС имеет двойную стенку. Внутренняя стенка 20 образует проточную часть КС и предохраняет наружную стенку от потока тепла от горячей жаровой трубы. Наружная стенка корпуса - силовая. Она воспринимает усилия от внутреннего давления и осевых сил. Между стенками корпуса проходит воздух, отбираемый из КС, на охлаждение турбины.
Кроме рассмотренных основных схем существует большое количество КС, которые имеют особенности конструкции для удовлетворения требований, предъявляемых к конкретной КС.
Так, по конструкции ФУ жаровых труб различают КС испарительные и многофорсуночные .
Испарительные КС отличаются от обычных только наличием специального испарительного устройства, в которое форсункой подается топливо и небольшое количество воздуха, чтобы TBC не воспламенилась в испарительном устройстве.
В зависимости от направления проходящего через КС потока, они делятся на прямоточные , (все рассмотренные выше) и противоточные , в которых поток меняет свое направление.
В промышленных ГТД широкое применение находят трубчато-кольцевые КС, поскольку в данном случае одно из первых мест занимает требование по эксплуатационной технологичности (возможности замены узлов КС в эксплуатации вплоть до замены жаровых труб).
5.3. Основные конструктивные элементы КС
КС состоит из следующих основных конструктивных и функциональных элементов: диффузора, жаровых труб, форсунок, корпусов, системы зажигания. Несмотря на общность функций, существует большое разнообразие конструктивных исполнений КС и составляющих элементов. Каждое техническое решение имеет объективные обоснования. Немаловажное значение имеют традиции и опыт фирм-разработчиков.
Конструкцию КС разрабатывают на основе выбранной схемы и исходных данных. К исходным данным относятся:
Данные, определенные проектировочным расчетом КС;
Параметры диффузора;
Размеры жаровой трубы и воздушных каналов;
Количество форсунок;
Расположение основных отверстий для подвода воздуха в жаровую трубу;
Распределение воздуха по жаровой трубе;
Присоединительные размеры проточной части и корпусов компрессора и турбины;
Силовая схема двигателя (расположение подшипниковых опор);
Схема вторичных потоков двигателя (прохождение через КС трубопроводов, обеспечивающих работу опор двигателя, системы охлаждения и др.);
Требования к креплению двигательных агрегатов и узлов на корпусе КС.
5.3.1. Диффузор
Диффузор представляет собой расширяющийся канал, в котором скорость потока снижается и часть кинетической энергии преобразуется в потенциальную, что выражается приростом статического давления.
Диффузоры должны удовлетворять следующим требованиям:
Иметь минимальные гидравлические потери;
Иметь минимальную длину;
Обеспечивать устойчивое поле скоростей и давлений перед входом в жаровую трубу (т.е. отсутствие отрыва потока).
В трубчатых КС диффузоры выполняются в виде индивидуальных для каждой жаровой трубы патрубков с изоградиентным увеличением площади проходного сечения.
В трубчато-кольцевых и кольцевых КС ранее применялись диффузоры 1 в виде профилированных кольцевых каналов, образованных наружным 2 и внутренним 3 корпусами КС, также с изоградиентным изменением площади (рис. 5.5, а). Такие диффузоры обеспечивают наименьшие потери полного давления, наиболее равномерное поле скоростей на выходе, но имеют достаточно большую длину. Еще одним недостатком таких диффузоров является то, что они не могут работать без отрыва потока на всех режимах работы двигателя.
Для обеспечения требуемых расходов воздуха в каналах кольцевых КС и одинакового перепада давления на наружной и внутренней стенках жаровой трубы перед входом в жаровую трубу 4 в диффузорах кольцевых КС устанавливают обтекатели 5, которые разделяют поток по наружному и внутреннему кольцевым каналам (рис. 6.29, б), или выполняют двухканальные диффузоры с разделителем 6 потока (рис. 6.29, в).
Рис. 5.5. Диффузоры КС:
а - с изоградиентным изменением площади; б - с разделителем потока;
в - двухканальный с фиксированным отрывом потока;
1 - диффузор; 2 - корпус наружный; 3 - корпус внутренний; 4 - жаровая труба;
5 - обтекатель; 6 - разделитель потока
В современных конструкциях КС все большее предпочтение стали отдавать ступенчатым диффузорам. Такой диффузор имеет два характерных участка (рис. 5.5, г): относительно короткий участок с плавным расширением проточной части - преддиффузор 1 (участок с безотрывным течением) и участок с внезапным расширением 2 (участок со стабилизированным отрывом потока). К преимуществам ступенчатого диффузора по сравнению с обычным плавным диффузором можно отнести его небольшую длину и слабую чувствительность к изменению структуры потока на входе. При этом, однако, он имеет несколько повышенные потери.
5.3.2. Жаровая труба
После выбора схемы КС при выполнении проектировочных расчетов определяются основные параметры жаровой трубы, которые служат исходными данными для разработки её конструкции. К ним относятся:
Объем жаровой трубы;
Распределение воздуха по длине жаровой трубы (площади проходных сечений фронтового устройства, количество и размеры отверстий зоны горения и смешения, количество поясов охлаждения и количество отверстий по поясам);
Количество форсунок и фронтовых устройств;
Тип фронтового устройства;
Тип системы охлаждения.
Жаровая труба в трубчатых и трубчато-кольцевых КС как правило состоит из двух частей - собственно жаровой трубы и газосборника (рис. 5.6).
Рис. 5.6 Жаровая труба:
а тубчато-кольцевой КС: 1 - фронтовое устройство; 2 - обтекаемая головка;
3 - система охлаждения; 4 - отверстия подвода воздуха в зону горения и смешения;
5 - кронштейн; 6 - пламеперебрасывающий патрубок;
б кольцевой КС: - фронтовое устройство; 2 - наружная кольцевая стенка; 3 - внутренняя кольцевая стенка; 4 - фронтовая плита; 5 - обтекатель; 6 - отверстия подвода воздуха в зону горения и смешения; 7-кронштейн.
В передней части жаровой трубы расположено ФУ 1 (рис. 5.6, а). Далее по длине жаровой трубы располагается обтекаемая головка 2, за ней стенка, состоящая из секций и гофрированных колец, сваренных между собой точечной сваркой.
В конструкции жаровой трубы применена пленочная система охлаждения. На поверхности жаровой трубы выполняют отверстия для подвода воздуха в зону горения и в зону смешения. От осевых перемещений жаровая труба фиксируется за корпус КС с помощью кронштейна 5. Кронштейн расположен в передней части рядом с ФУ и форсункой, чтобы уменьшить влияние тепловых перемещений жаровой трубы относительно форсунки для обеспечения стабильных параметров распыла и перемешивания топлива с воздухом в ФУ. Для переброса пламени из одной жаровой трубы в другую в момент розжига трубы соединены между собой пламеперебрасывающими патрубками 6 и муфтами.
Газосборники в трубчатых КС выполняют для каждой жаровой трубы отдельно, а в трубчато-кольцевых КС они могут быть как отдельными, так и кольцевыми, в которые вставляются все жаровые трубы двигателя по кольцу. Для компенсации температурных расширений жаровые трубы соединяются с газосборником с помощью телескопического соединения. Задним фланцем газосборники обычно крепятся за корпус первого соплового аппарата турбины. Стенки газосборника оснащают системой охлаждения.
Жаровая труба (рис. 5.6, б) состоит из фронтового устройства 7, наружной 2 и внутренней 3 кольцевых стенок, фронтовой плиты 4. Для снижения гидравлического сопротивления и необходимого распределения воздуха по кольцевым каналам в передней части жаровой трубы расположен обтекатель 5.
На стенках выполнена система охлаждения. На наружной и внутренней стенках выполнены отверстия 6, для подвода воздуха в зоны горения и смешения. От осевых и радиальных перемещений жаровая труба закрепляется за корпус КС с помощью нескольких кронштейнов 7. Соединение с корпусом coплового аппарата выполняется телескопическим для компенсации тепловых расширений.
Для изготовления жаровых труб и газосборников применяют следующие материалы:
Нержавеющую сталь - до температуры 800 °С;
Жаростойкие сплавы на никелевой и хромистой основе - до температуры 900...1100 °С.
5.3.2.1. Фронтовые устройства
Практически все известные КС имеют свои, отличающиеся по конструкции ФУ.
Классическими примерами ФУ в виде плохо обтекаемых тел являются щелевая головка жаровой трубы 1 и конические насадки 2, устанавливаемые в передней части жаровой трубы (рис. 5.7). Такие ФУ имеют повышенные гидравлические сопротивления, в них недостаточно полно происходит смесеобразование, вследствие чего получаются сравнительно невысокая полнота сгорания и высокий уровень эмиссии.
Одним из способов получения в первичной зоне КС однородной TBC является использование испарительных ФУ (см. рис. 5.7).
В ФУ с осевым 4 или радиальным 5 лопаточными завихрителями (см. рис. 5.7) размеры зоны обратных токов определяются степенью крутки потока. Степень крутки потока зависит от скорости истечения воздуха из завихрителя и угла установки лопаток. Гидравлические потери в завихрительных ФУ значительно ниже, чем в щелевых и конусных.
Рис. 5.7. Фронтовые устройства КС:
1 - щелевая головка; 2 - конический насадок; 3 - испарительное ФУ;
4 - осевой лопаточный завихритель; 5 - радиальный лопаточный завихритель;
6 - комбинированное завихрительное ФУ; 7 - струйный завихритель; 8 - сопловой насадок
В настоящее время в КС в основном применяются комбинированные 6 завихрительные ФУ. В них помимо функции стабилизации пламени обеспечивается предварительная подготовка TBC (распыливание, смешение до нужной концентрации и степени однородности).
Современные завихрительные ФУ состоят из двух и более осевых, струйных 7 и (или) радиальных завихрителей и сопловых насадков 8 различной конфигурации (рис. 5.7). С помощью таких ФУ можно обеспечить практически все предъявляемые в настоящее время требования.
Одно из основных требований к КС, которое обеспечивается в основном с помощью ФУ - широкие пределы устойчивого горения.
Принцип работы ФУ рассмотрим на примере работы типичного ФУ, образованного лопаточным завихрителем 7 и переходным конусом 2 между завихрителем и цилиндрической частью жаровой трубы. Схематично структура потока, образующаяся за подобным ФУ, показана на рис. 5.8.
Физическая основа стабилизации пламени заключается в создании в головной части жаровой трубы зоны пониженного давления, которая образуется за счет эжекции газа конической струей воздуха 3, созданной завихрителем. Отток газа изнутри конической струи компенсируется его добавлением из участков, расположенных несколько дальше от ФУ. Вследствие этого образуется зона обратных токов 4, в которой часть горячих газов движется навстречу основному потоку воздуха. Распыленное топливо 5 подается форсункой 6 в зону обратных токов.
Рис. 5.8. Структура потока и стабилизация пламени за фронтовым устройством камеры ГТД:
1 - лопаточный завихритель; 2 - переходный конус; 3 - коническая струя воздуха;
4 - зона обратных токов; 5 - топливный конус; 6 - форсунка; 7 - зона стабилизации пламени; 8 - граница зоны обратных токов; 9 - эпюра осевых скоростей;
10 - эпюра давлений; 11 - линии токов
Структура потока в головной части жаровой трубы, представленная на рис. 5.8 с помощью эпюры скоростей 9, эпюры давлений 10 и линий токов 77, как при холодной продувке, так и на работающей КС качественно одинакова.
5.4. Топливные форсунки
Среди большого многообразия конструкций форсунок наибольшее распространение в основных КС ГТД получили центробежные форсунки.
Схема простейшей центробежной форсунки приведена на рис. 5.9.
Рис. 5.9. Схема центробежной форсунки:
1 - тангенциальные каналы; 2 - камера закручивания;
3 - сопло; 4 - воздушный вихрь
Топливо в такой форсунке поступает в тангенциальные каналы 1 камеры закручивания 2 и приобретает начальную закрутку. В камере закручивания при уменьшении диаметра крутки увеличивается окружная составляющая скорости, возникают значительные центробежные силы. В выходном сопле 3 образуется тонкая пленка кольцевого сечения, которая на выходе из форсунки распадается на мельчайшие капли, создающие коническую пелену распыленного топлива. Вдоль оси форсунки при этом образуется воздушный (газовый) вихрь 4. Чем выше скорость топлива на выходе из сопла форсунки, тем более мелкими получаются капли, и тем caмым достигаются более выгодные условия для создания однородной TBC.
Величина скорости топлива на выходе из сопла определяется перепадом давления на форсунке. В общем виде перепад давления и расход топлива через форсунку связаны соотношением:
G T = K (Δ P ) 0,5
где К - коэффициент расхода, учитывающий геометрические параметры форсунки и размерность величин G T и Δ P ,
Δ P - перепад давления на форсунке.
Применяемые в настоящее время топливные насосы обеспечивают максимальное давление перед форсунками, примерно равное 75...80 кг / см 2 .
Пример конструкции центробежной двух-контурной двухсопловой форсунки двигателя ПС-90А приведен на рис. 5.10.
Рис. 5.10. Форсунка:
1 - корпус форсунки; 2 - стакан; 3 - кожух обдува торцев распылителей; 4 - распылитель второго контура;
5 - распылитель первого контура; 6 - переходник-распылитель топлива;
7 - уплотнительное кольцо;
8 - трубка; 9 - втулка; 10- втулка; 11 - пайка; 12 - уплотнительное кольцо; 13 - теплоизоляция;
14 - кожух теплозащитный;
15 - штуцер первого контура;
16 - штуцер второго контура;
17- топливные фильтры;
18 - топливный канал первого контура; 19 - топливный канал второго контура
Форсунка состоит из корпуса 7, стакана 2, сваренного с кожухом 3, который направляет воздух для обдува торцев распылителей. Стакан с помощью резьбы прижимает к корпусу с большим моментом затяжки пакет элементов подачи топлива: распылитель 4 второго контура, распылитель 5 первого контура, переходник-распределитель 6 топлива и уплотнительное кольцо 7. Резьбовое соединение загерметизировано электронно-лучевой сваркой. Разделение топливных каналов внутри корпуса выполнено при помощи трубки 8 и втулок 9 и 10. Уплотнение трубки 8 и втулки 9 с корпусом сделано высокотемпературной пайкой 77, а втулки 10 - аргонно-дуговой сваркой и уплотнительным кольцом 12 из терморасширенного графита. Корпус форсунки снаружи теплоизолирован стеклотканью 13, которая защищена от воздушного потока кожухом 14. В штуцерах 15 и 16 соответственно первого и второго контура установлены фильтры 17. Для исключения коксования топлива в малорасходном первом контуре его канал 18 практически на всем протяжении выполнен внутри канала 19 большерасходного второго контура.
5.5. Системы зажигания ГТД
Для воспламенения TBC в КС двигателя применяется система зажигания.
Система зажигания обеспечивает:
Первоначальное воспламенение TBC при запуске двигателя;
Подвод тепловой энергии к TBC при работе в тяжелых климатических условиях (осадки, туман, сильный ветер и т.п.), на максимальных или аварийных режимах, а также по командам с пульта управления.
Система зажигания двигателя состоит, как правило, из одного - двух агрегатов зажигания (рис. 5.11), двух свечей (рис. 5.12), низковольтных и высоковольтных проводов с устройствами их подключения к агрегатам и свечам зажигания.
Рис. 5.11. Агрегат зажигания:
1 - соединитель «Питание»; 2 - соединитель «Контроль»; 3 - разъемы для подключения высоковольтных проводов; 4 - кронштейн; 5 - корпус; 6 - крышка
Кроме общих требований к системам зажигания предъявляются дополнительные требования:
Надежность воспламенения TBC в заданной области эксплуатации;
Взрывобезопасность.
Рис. 5.12. Свеча зажигания в защитном кожухе:
1 - центральный электрод; 2 - боковой электрод; 3 - изолятор; 4 - корпус свечи зажигания; 5 - шестигранник; 6-защитный кожух; 7 - фланец; 8 - разрядная полость; 9 - отражатель кожуха; 10 - окно для забора воздуха
Всего в мире производится более 190 типов систем зажигания, которые можно классифицировать следующим образом:
По назначению (для запуска двигателя на земле и в полете);
По принципу действия (емкостные, плазменные, лазерные);
По питающему току (на постоянном токе, на переменном токе);
По источнику питания (от автономного источника питания - электромашинный генератор или аккумуляторная батарея);
По режиму работы (длительный, повторно-кратковременный, двухрежимный с различными уровнями разрядной энергии);
По величине напряжения, поступающего от агрегата зажигания на свечи (низковольтные - выходное напряжение агрегата зажигания от 2 до 10 кВ, высоковольтные - выходное напряжение агрегата зажигания более 10 кВ);
По накопленной энергии (малой энергии - до 10 Дж, большой энергии - более 10 Дж);
По количеству каналов (одноканальные, двухканальные);
По типу используемых свечей зажигания (со свечами накаливания, с искровыми свечами);
По способу включения свечей зажигания в разрядную цепь (с параллельным включением свечей зажигания, с последовательным включением свечей зажигания);
По способу воспламенения камеры сгорания (с воспламенением КС непосредственно от свечи зажигания - с непосредственным воспламенением, с воспламенением КС пусковым воспламенителем);
По способу получения искрового разряда (с разрядником; с тиристорным коммутатором энергии);
По управляемости агрегата зажигания (управляемый, со встроенной системой контроля, неуправляемый);
По типу разряда свечи зажигания (колебательный, апериодический).
Системы зажигания некоторых ГТД имеют в своем составе пусковые воспламенители (рис. 5.13).
Рис. 5.13. Воспламенитель:
1 - свеча зажигания; 2 - форсунка; 3 - камера сгорания
Пусковой воспламенитель состоит из свечи 1 зажигания, форсунки 2 и камеры 3 сгорания, собранных в одном корпусе. Распыленное форсункой топливо смешивается в камеpe сгорания воспламенителя с воздухом, полученная TBC поджигается от свечи зажигания.
Образованный пусковым воспламенителем факел пламени направляется в КС двигателя. Эффективность работы воспламенителя зависит от места его расположения на КС, а также от температуры и глубины проникновения факела внутрь жаровой трубы. Пусковой воспламенитель устанавливается таким образом, чтобы его факел попадал в область жаровой трубы, где концентрация топлива достаточно высокая, а скорость слоя сносящего потока воздуха наименьшая.
PAGE \* MERGEFORMAT 12
Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.вшм> |
|||
| 5619. | Влияние теплообмена в тракте газовода закрытой схемы ЖРД на параметры потока перед форсуночной головкой камеры сгорания | 4.77 MB | |
| Цель работы: Выполнить расчет газодинамических параметров в тракте газовода при различных значениях среднерасходной скорости потока. Выявить влияние теплообмена на профиль скорости и распределение давления перед газораспределительной решеткой и форсуночным блоком. Сравнение значений скорости и статического давления производился в сечениях... | |||
| 15532. | Расчет камеры жидкостного ракетного двигателя | 790.54 KB | |
| Конструктивные схемы выполненных камер многообразны. В современных ЖРД преимущественное применение получили цилиндрические камеры сгорания, которые в сочетании с плоской смесительной головкой позволяют осуществить процесс создания тяги при высокой расходонапряженности с одновременной организацией надежной системы топливной защиты и обеспечением требуемых термопрочностных характеристик. Указанная конструкция камер достаточно технологична в изготовлении. | |||
| 7639. | Процесс сгорания в карбюраторных двигателях и дизелях | 387.19 KB | |
| Процесс сгорания в карбюраторных двигателях Этот процесс происходит в действительности не при постоянном объеме но близко к этим условиям. Процесс сгорания на индикаторной диаграмме можно разделить на 3 фазы. Скорость сгорания зависит от свойств топлива. | |||
| 11320. | ТЕПЛОВОЙ И ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ | 240.88 KB | |
| Бензиновые двигатели с впрыском топлива и принудительным воспламенением рабочей смеси в зависимости от организации процесса смесеобразования и их конструктивных особенностей могут сочетать в себе положительные свойства и карбюраторных двигателей и дизелей. | |||
Типы камер сгорания
Имеются различные конструкции камер сгорания дизельных
двигателей, каждая из которых разработана таким образом,
чтобы получить наиболее эффективный вихревой поток. Эти
конструкции можно разделить на два основных класса:
* Камера сгорания с прямым впрыском
* Камера сгорания с непрямым впрыском.
В первой конструкции топливо впрыскивается непосредственно у
закрытого конца цилиндра, тогда как во второе конструкции
топливо впрыскивается внутрь отдельной дополнительной камеры
сгорания, которая соединяется с цилиндром посредством
небольшого канала.
Прямой впрыск
На рис. 30.2 изображена камера сгорания открытою типа. В
течение многих лет камеры сгорания прямого впрыска
использовались на тяжелых автомобилях и в слегка
модифицированном виде они получили в настоящее время
распространение в автомобилях с двигателем с рабочим объемом
2 литра.
Имеющаяся в поршне глубокая выемка содержит воздух, когда
поршень находится в ВМТ очень близко к плоской головке
цилиндра. Для того чтобы получить требуемую степень сжатия,
необходимо наличие верхнерасположенных клапанов. Неглубокие
выемки в головке поршня обеспечивают зазоры, необходимые для
головок цилиндров.
Неправильная регулировка клапанов
приведет к тому, что клапаны будут бить по поршню. Форсунка
со многими отверстиями обеспечивает подачу тонко
распыленного топлива под высоким давлением (175 бар) в струю
быстро движущегося воздуха и немедленное его поступление в
выемку поршня (камеру сгорания).
Завихрение образуется в двух плоскостях, вертикальной и
горизонтальной. При подъеме поршня воздух заходит
непосредственно в выемку и перемещается примерно так, как
изображено на рисунке. Когда поршень достигает ВМТ, это
движение ускоряется благодаря завихрению поршня между
поршнем и головкой. Горизонтальное или вращающееся
завихрение может быть получено путем наклона впускного
канала по касательной по отношению к цилиндру или путем
использования завихрителя на впускном клапане. На рис. 30.2а
изображена наиболее распространенная конструкция. Комбинация
двух вихревых потоков создает «водоворот» воздуха в выемке и
обеспечивает хорошую подачу кислорода в область горения.
Непрямой впрыск
Примерно до середины 1980-х годов двигатели непрямо го
впрыска (IDI - InDirect Injection) были наиболее
распространенными двигателями, устанавливаемыми на не
больших автомобилях. По сравнению с традиционными тяжелыми
двигателями прямого впрыска, двигатель непрямого впрыска
может работать более равномерно; в таком двигателе можно
использовать меньшее давление впрыска, кроме того, этот
двигатель обеспечивает больший диапазон оборотов.
Большинство камер сгорания двигателей с непрямым впрыском
имеют конструкцию, предложенную фирмой Ricardo Comet,
изображенную на рис. 30.3. В этой конструкции имеется
вихрекамера, которая соединена с главной камерой при помощи
канала, что позволяет работать при температуре более
высокой, чем температура окружающего металла.
Воздух нагнетается через горячий канал в вихрекамер во время
сжатия, так что в конце этого такта в камере находится очень
горячий воздух при высокой степени завихрения. Топливо
впрыскивается в эту быстро движущуюся массу воздуха и быстро
распыляется на очень мелкие частицы. Это распыление
достаточно эффективно даже тогда, когда топливо
впрыскивается в виде «мягкой» струи при помощи штифтовой
форсунки или набора сопел при относительно низком давлении
(около 100 бар).
После инициации горения в вихревой камере горящее топливо
вместе с несгоревшим или частично сгоревшим топливом
подается в основную камеру сгорания, выполненную в днище
поршня. Если увеличивается время впрыска для обеспечения
большей мощности двигателя, большая часть топлива,
впрыскиваемая в конце периода впрыска, не загорается до тех
пор, пока не смешается с воздухом в основной камере. Этим
обеспечивается то, что период горения может продол жаться
относительно длительное время, пока, в конце концов, не
будет достигнута такая стадия, когда топливу не будет
хватать кислорода для горения. Начиная с этого места
начинается выброс черного смога и появление этого смога
указывает на максимальное количество топлива, которое может
впрыскиваться без жертвования экономичностью, также
максимальную мощность, которая может быть получена от
двигателя.
Рис. 30.3
Двухполостная камера сгорания двигателя с воспламенением от
сжатия – непрямой впрыск топлива
B двигателе с непрямым впрыском сочетание горячего воздуха и
очень тонкого распыления дает малую задержку воспламенения.
По сравнению с двигателем с прямым рыском, интенсивность
«жесткой» работы двигателя меньше, двигатель работает более
равномерно; в таких двигателях можно применять топливо с
более низким цетановым числом. Все двигатели с
воспламенением от сжатия требуют применения специальных
средств для обеспечения холодного пуска. Для запуска
холодного двигателя с воспламенением от сжатия обычно бывает
впрыск большего количества топлива и наличие большего
количества легко воспламеняемых фракций во впрыскиваемой
порции, однако большие потери теплоты в двигателях с
непрямым впрыском требуют наличия дополнительных средств
обеспечения холодного запуска. В сравнении с двигателями с
прямым впрыском, в которых используется степень сжатия 16, в
двигателях с непрямым впрыском применяется степень сжатия
порядка 22, в некоторых случаях до 30.
Кроме обеспечения холодного запуска, высокая степень сжатия
необходима также для увеличения термического КПД, то есть
экономичности, как и в двигателе с прямым впрыском. Тем
самым компенсируются большие потери теплоты, которые имеют
место из-за большей площади поверхности камеры сгорания
двигателя с непрямым впрыском.
Для обеспечения холодного запуска двигателя с непрямым
впрыском используются одно или несколько из следующих
дополнительных средств:
1 Запальная свеча - прибор с электрическим нагревом,
устанавливаемая в вихрекамере. Воздух в камере нагревается
электрическим путем за несколько секунд до запуска холодного
двигателя. В настоящее время такие запальные свечи обычно
управляются автоматически.
2 Нагреватели коллекторов - электрические устройства,
предназначенные для электрического нагрева воздуха,
проходящего через впускной коллектор к цилиндрам.
3 Форсунка Пинтокса - штифтовая форсунка с дополнительным
отверстием для прямой подачи топлива через специальный канал
в камеру сгорания во время проворачивания коленчатого вала
двигателя стартером.
Современные двигатели, предназначенные для установки на
легковые автомобили
Применение на автомобилях небольших двигателей с
воспламенением от сжатия очень привлекательно, поскольку
такие небольшие двигатели имеют расход топлива до 40
процентов меньше чем на двигателях с искровым зажиганием
аналогичной мощности. Это преимущество еще более
привлекательно, если автомобиль используется достаточно
интенсивно и экономия на топливе может в таком случае
превысить большие начальные расходы на более дорогой
двигатель.
Это преимущество, в сочетании с общим подъемом спроса на
двигатели такого типа, заставило многих производителем
автомобилей обратить большее внимание на малые дизельные
двигатели.
В прошлом двигатели с воспламенением от сжатия работали
очень шумно и не выдерживали конкуренции с двигателями с
искровым зажиганием, но в последнее время в этой области
были сделаны большие усовершенствования. Совершенствование
формы камеры сгорания и применение глушителей шумов
обеспечило уменьшение уровня шума, а путем установки
двигателя несколько большего рабочего объема был уменьшен
разрыв по мощности с двигателями с искровым зажиганием.
Индивидуальная камера сгорания двигателя Rolls-Royce RB.41 Nene.
На этом сайте в одной из ранних статей уже приводилось достаточно известное высказывание о том, что . Звучит, может быть, несколько пафосно (кому как:-)), но аналогия верная. Ведь не будет работать двигатель, и самолет перестанет быть самолетом.
Будучи на земле, он останется хоть и сложно устроенным, но мертвым, по сути дела, агрегатом. А находясь в воздухе, в лучшем случае спланирует для вынужденной посадки (вертолет для спуска использует принцип , тоже, однако, при благоприятных условиях). Однако, сказанное о двигателе вполне можно распространить и на его камеру сгорания.
Камера сгорания авиационного газотурбинного двигателя – это тоже своего рода его сердце. Не будет работать она (или будет работать плохо) – двигатель остановится со всеми вытекающими из этого последствиями. Из чего же проистекает эта ее уникальная необходимость?
Авиационные ГТД, как известно, относятся к классу ВРД. Воздушно-реактивные двигатели обычно делят на два типа: прямой и непрямой реакции . Если говорить о двигателях прямой реакции , то есть таких, которые для создания тяги используют струю выходящих газов, то здесь основополагающим становится принцип реактивного движения.
Однако, сам по себе этот принцип не подразумевает обязательное наличие камеры сгорания. Все природные движители такого типа, вполне естественно, ее не имеют. Осьминог, например, вполне, похоже, доволен своим водометом:-). Да и в технике таких примеров немало. Допустим, те же двигатели орбитальной ориентации космических кораблей и станций.
В простейшем определении реактивная тяга предполагает отделение от тела какой-то его части с определенной массой и определенной скоростью относительно этого тела. От величины этой массы и скорости как раз и зависит величина создаваемого импульса и, в конечном итоге, тяги.
Для воздушно-реактивного двигателя в его родной среде, атмосфере, упомянутая выше масса - это масса воздуха, проходящего через газовоздушный тракт в единицу времени. Больше воздуха проходит через двигатель - больше тяга .
Такое положение, в частности, хорошо иллюстрируется на примере с большой степенью двухконтурности. Действенным и практически единственным способом увеличения расхода воздуха в этом случае является увеличение диаметра двигателя .
Однако, этот способ увеличения тяги имеет свои границы. Ведь диаметр двигателя не может расти до бесконечности. Такие действия выливаются, в итоге, в увеличение лобового сопротивления и массы (плюс, конечно, габаритные размеры). А это первейшие враги летательного аппарата.
Второй фактор , напрямую влияющий на величину тяги, - это скорость , с которой воздух (или газ), проходящий через двигатель выходит из него через выходное устройство (сопло). Ее тоже можно постараться увеличить.
Если не принимать во внимание камеру сгорания (отказаться от нее), то, казалось бы, реально это было бы сделать за счет увеличения давления по тракту двигателя, с тем, чтобы это давление срабатывалось в выходном устройстве, и газ выходил из двигателя с большой скоростью, образуя реактивную тягу.
Например, если вообразить некий «идеальный» прямоточный двигатель без камеры сгорания, двигающийся с большой скоростью, то воздух, попадающий в него, будет тормозиться с повышением давления. Это давление в идеале потом будет срабатываться в сопле, и мы получим реактивную тягу. Такой двигатель должен будет поддерживать определенную, изначально заданную скорость. Заметьте, без камеры сгорания.
Да, он должен . И теоретически (при определенных допущениях) это возможно. Но он не будет , потому что на практике (так сказать в железе) обязательно будут потери той механической энергии, которая была приобретена за счет сжатия воздуха во входном устройстве двигателя.
В итоге действительная скорость истечения окажется меньше заданной, что повлечет за собой уменьшение давления внутри «двигателя», что в свою очередь еще более затормозит его и так далее к закономерному итогу:-). В реальности такой двигатель не жизнеспособен.
Более того, если даже пренебречь потерями, он не сможет самостоятельно увеличить скорость. Ведь у него не будет никакого управляющего воздействия, которое бы смогло его к этому побудить (в реальной камере сгорания - это подача топлива). Тем более, что самостоятельно запуститься и выйти на нужный режим скорости он тоже не сможет, как и любой прямоточный двигатель
Для того, чтобы двигатель все-таки оживить, необходимо сообщить воздушному потоку, проходящему через него, дополнительную энергию, которой бы хватило на нейтрализацию неизбежных потерь, и на разгон этого потока в сопле с целью получения достаточной тяги.
Вот эти функции как раз и выполняет камера сгорания ГТД . Она подводит к потоку тепловую энергию, получаемую в результате химической реакции окисления топлива кислородом воздуха, то есть попросту его сгорания.
Полноценный ВРД прямой реакции для обеспечения, так сказать, всережимности содержит в себе еще и компрессор с приводящей его турбиной. В итоге получаем газогенератор (компрессор — камера сгорания - турбина ), основу любого современного ГТД. В английском для него даже существует характерное название: «core» , один из переводов которого означает «ядро». А сердцем этого самого «ядра» как раз и является камера сгорания , дающая ему жизнь.
Именно благодаря ей современные ВРД достигают высоких уровней тяги. В том числе и целиком от нее зависят, хотя у них 80% (и выше) тяги приходится на вентилятор, то есть второй контур, в котором камеры сгорания нет. Однако, большой тяжелый вентилятор вращается турбиной, которая без КС не смогла бы выполнять свои полезные функции.
В газогенеораторе высокоэнергетический поток газа, выходящий из камеры сгорания может расходовать свою энергию двумя основными путями. Первый , когда ее малая часть используется для вращения турбины с целью привода компрессора, а остальная — для получения большой реактивной тяги.
В этом случае получаем, как уже выше говорилось, ВРД прямой реакции . К ним относятся все собственно реактивные двигатели - ТРД, ТРДФ, ТРДД (Ф),ТВРД, ПВРД и др.
И второй , когда большая часть (то есть практически вся:-)) энергии потока срабатывается именно на турбине, причем не только для вращения компрессора, но и для получения полезной работы на валу двигателя (на основном или на валу свободной турбины).
Это уже будут так называемые ВРД непрямой реакции , которые для проявления своей «полезности» требуют наличия дополнительного движителя. Обычно это , а сами двигатели - ТВД или вертолетные ГТД ().
Однако, роль камеры сгорания ГТД вне зависимости от его типа неизменна и очень важна.
Само понятие «камера сгорания» довольно широко распространено в технике. Она есть в каждой тепловой машине (в том числе и у обычного автомобильного ДВС в его поршневых цилиндрах). Но конструкция, условия и принцип работы, конечно, у каждой машины свои.
Авиационный ГТД в силу своей специфики обладает так называемой камерой сгорания непрерывного действия (в отличие от ДВС), и, как тепловая машина, работает в соответствии с термодинамическим циклом Брайтона .
Схема работы базового (идеального) цикла Брайтона.
В этом цикле на участке Н-Кад происходит адиабатное сжатие воздуха сначала во входном устройстве (воздухозаборнике Н-В ), затем в компрессоре. Затем на отрезке Кад-Г происходит подвод тепла к газовому потоку в камере сгорания. Это процесс изобарический , то есть давление в камере сгорания остается постоянным.
Затем на участке Г-Сад газ адиабатно раширяется, сначала в турбине (Г-Т ), а затем в реактивном сопле (Т-Сад ). Участок Сад-Н соответствует изобарному процессу отвода тепла в атмосферу. То есть это тот самый холодильник, без которого не обходится не одна .
Соотношение идеального и реального циклов Брайтона.
Однако, описываемые процессы соответствуют идеальному циклу . В реальности в двигателе в качестве рабочего тела представлен не воздух, а газ, теплоемкость которого непостоянна. К тому же в реальном двигателе обязательно имеют место потери: гидравлические, механические и тепловые .
Поэтому реальный рабочий цикл несколько отличается от идеального. На участках Н-К и Г-С процессы протекают не по адиабатам, а по более крутым политропам из-за того, что присутствуют ощутимые гидравлические потери, которые способствуют нагреву газа.
А интересующий нас участок К-Г , то есть тот, на котором, собственно, работает камера сгорания в реальном цикле уже не горизонтален. Он принимает вид нисходящей линии.
То есть подвод тепла в камере сгорания ГТД происходит не при постоянном, а при падающем давлении. Это происходит из-за тех же гидравлических потерь , без которых, к сожалению, не обойтись и сокращению которых при создании камеры сгорания и доводке ее на стенде приходится уделять немало внимания. Кроме того в реальной КС имеет место некоторое увеличение скорости потока газа, так же влекущее за собой определенное падение давления.
Таким образом камера сгорания ГТД работает на повышение энергоемкости газового потока через двигатель. Чем выше температура газов, выходящих из КС, тем выше, в конечном итоге, скорость их истечения из сопла двигателя (или же располагаемая мощность ).
Возможно предположение, что не менее эффективно на скорость истечения (мощность ТВаД ) может повлиять повышение степени сжатия воздуха, поступающего в КС (то есть степени сжатия в компрессоре ), однако это не совсем так.
Повышение степени сжатия в компрессоре означает увеличение срабатывания энергии газового потока на турбине. То есть турбина должна совершать большую работу для вращения компрессора с целью достижения большей степени сжатия воздуха в нем.
В этом случае газ, выходящий из камеры сгорания в большей степени расширяется на турбине и давление в нем падает, что вызывает снижение скорости истечения газа из сопла двигателя (или же доли энергии, срабатываемой на свободной турбине турбовального двигателя).
На практике, таким образом, получается, что при увеличении степени повышения давления в компрессоре скорость истечения газа из сопла увеличивается незначительно либо не увеличивается совсем или даже может уменьшиться.
Поэтому основной целью увеличения степени сжатия в компрессоре является улучшение работы камеры сгорания в плане уменьшения расхода топлива по отношению к тяге, то есть повышение экономичности двигателя или повышения его КПД . А для увеличения скорости истечения газа из сопла двигателя (и в конечном счете тяги двигателя) используется более понятный путь - увеличение температуры газа, то есть температуры в камере сгорания двигателя .
Однако, повышение температуры газа — путь очень непростой, потому что напрямую отражается на условиях работы камеры сгорания ГТД , и условия эти, мягко говоря, весьма специфичны и непросты, несмотря на кажущуюся иногда простоту устройства этого узла. Вот, к примеру, несколько цифр и фактов на этот счет.
Воздушный поток , поступающий на вход в камеру сгорания, может иметь температуру до 700°С и давление до 45 атм. Внутри нее (в факеле) температура может достигать величины порядка 2200°С а на выходе из него - 1650°С . Тут уместно вспомнить, что температура плавления материалов, из которых изготовлены узлы, где происходит непосредственное горение топлива (так называемая жаровая труба) имеет величину около 1300-1350°С .
Эта величина, правда , при нормальных условиях работы не достигается в результате правильно используемых методов охлаждения . Тепло передается элементам конструкции камеры сгорания ГТД двумя основными путями: конвективным (при непосредственным соприкосновении горячих газов со стенками КС) и способом непосредственного излучения факела пламени . В процессе работы температуры корпусов КС достигают величин порядка 350- 400°С, а жаровых труб - 750-950°С.
Разделение потока на отдельные струи при прохождении различных элементов конструкции КС, работа форсунок, различного рода завихрителей и смесителей в сочетании с определенной неравномерностью поля температур и нагрева отдельных деталей способствует возникновению коробления (как крайний случай даже прогаров ) элементов КС.
Перед создателями камер сгорания ГТД стоит также задача обеспечения так называемого устойчивого горения в потоке (а значит надежности работы). Это приходится делать в условиях, которые для нормального горения и надежного распространения пламени, мягко говоря, малопригодны. Скорости потока очень высоки (иной раз больше скорости распространения пламени), а состав топливо-воздушной смеси часто может находиться вне концентрационной зоны распространения пламени.
При всех этих экстремальных условиях нагреваемые узлы (особенно жаровые трубы ) ощутимо меняют свои размеры (ведь тела, как известно, при нагревании расширяются) как в радиальном, так и в осевом отношении. Это заставляет конструкторов принимать специальные меры для компенсации теплового расширения этих узлов во избежание их деформации и потери надежности и корректной работоспособности (чаще всего что-то типа скользящего соединения).
Кроме того при таких высоких температурах создаются отличные условия для газовой коррозии металлов , из которых изготовлены теплонапряженные детали. Ведь они постоянно омываются химически активными газами под большим давлением (до 40 атм) и с большой скоростью потока. Этот неприятный факт может существенно сократить ресурс и надежность КС.
Короче говоря, условия работы камеры сгорания ГТД очень тяжелы и сложно организованы. Для надежности и эффективности работы в ней как бы поддерживается определенный, достаточно тонкий баланс между происходящими процессами, их параметрами и конструктивными особенностями ее элементов. В случае изменения какой-либо составляющей этого баланса могут, в конечном итоге, измениться все характеристики работы КС. Поэтому при ее разработке практически всегда имеет место определенный консерватизм.
Реальная камера сгорания ГТД должна удовлетворять следующим требованиям.
Высокая эффективность сгорания топлива . Характеризуется специальным коэффициентом полноты сгорания, который для современных двигателей достигает на орасчетных режимах достигает величин 0,98-0,99 и более.
Малые гидравлические потери полного давления . Для современных камер сгорания авиационных эти потери равны в среднем 3-5% (хотя могут быть и больше 10%).
Быстрый и надежный запуск, устойчивая работа на различных режимах и во всем предусмотренном диапазоне изменения состава топливо-воздушной смеси (максимальное расстояние между так называемыми бедным срывом и богатым срывом в соответствии с коэффициентом избытка воздуха α , характеризующим соотношение количеств топлива и воздуха в топливо-воздушной смеси), а также в различных погодных условиях (например попадание воды, града с входящим потоком).
Высокая теплонапряженность КС . Это параметр, характеризующий полноту использования объема камеры для процессов горения и получения тепловой энергии. Чем выше теплонапряженность, тем меньше размеры и, соответственно, вес камеры.
Малая величина показателя неравномерности поля температур на выходе из камеры сгорания. Этот показатель очень важен для определения условий работы турбины. Его делят на две составляющие - окружную неравномерность, которая более важна для лопаток соплового аппарата и радиальную неравномерность, актуальную для вращающихся рабочих лопаток. В камерах сгорания авиационных ГТД этот показатель достигает 15-20% (и более) и может быть задан определенной величиной (для правильного формирования величины нагрузок на лопатки).
КС должна иметь хорошее охлаждение , обеспечивающее низкую температуру элементов. Она также должна быть максимально проста по конструкции и в эксплуатации, иметь достаточный ресурс и обладать высокой технологичностью производства.
На стенках КС не должно быть нагарообразования и коксовых отложений. Величина вредных выбросов и образование дыма должны быть минимальны. Для этих характеристик предусмотрены специальные показатели: индексы эмиссии, параметры эмиссии и число дымности SN.
Основная цель при разработке и создании перспективных КС - это рост температуры и теплонапряженности, снижение гидравлических потерь и количества вредных выбросов.
В общем случае камера сгорания ГТД представляет собой кольцеобразный узел, передняя часть которого соединена с компрессором, а задняя переходит в турбину, перенаправляя на нее газовый поток.
Это так называемая встроенная камера . Входной ее диаметр обычно не превышает диаметр компрессора, а выходной - турбины. Бывают еще и выносные камеры , однако применяются они практически только на стационарных ГТУ (то есть неавиационного назначения).
Внутренний корпус (кожух) этого кольца (для современных двигателей) опоясывает (и отделяет от горячей части) вал, соединяющий турбину и компрессор, подшипниковые опоры, коммуникации систем и т.д. (в зависимости от конкретной конструкции).
Внешний корпус является по сути дела внешним корпусом двигателя. А между этими корпусами (внутри) расположены жаровые трубы. Жаровая труба – это конструктивный узел в котором непосредственно и происходит процесс горения. По форме она на самом деле напоминает трубу.
Внешний и внутренний корпусы в сочетании с некоторыми другими элементами на входе в камеру сгорания формируют диффузор , в котором происходит торможение воздушного потока с повышением его давления.
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 , 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 (), 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 зоны для 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:-)… Следующая камера на очереди — форсажная. До новых встреч….
Картинки кликабельны.
У дизелей 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.
Для удовлетворения этих требований необходимым является создание интенсивного направленного движения воздуха, но организовать этот процесс нужно так, чтобы с впрыскиваемым топливом смешалось необходимое для сгорания количество воздуха. Принципиально для этой цели существуют две возможности: направлять либо воздух к топливу, либо топливо к воздуху. У автомобильных дизелей используются оба способа.
В первом из них топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр несколькими струями (факелами), которые обдуваются вращающимся потоком воздуха. Скорость потока должна обеспечивать прохождение воздухом пути от одной струи к другой за время сгорания .
Число струй, однако, ограничено, и поэтому необходимое количество топлива должно впрыскиваться с определенной скоростью, чтобы обеспечивалось, его хорошее распыливание. Если топливо хорошо распылено, то оно быстро прогревается после впрыска в горячий воздух, и время, проходящее до его воспламенения (так называемая задержка воспламенения), уменьшается. Малое время задержки воспламенения нужно для того, чтобы количество топлива, поданного в камеру сгорания за этот период, не было настолько большим, чтобы после воспламенения вызвать резкое нарастание давления и большую жесткость работы двигателя. Регулирование процесса, сгорания может быть обеспечено законом подачи топлива в уже воспламененную среду.
Если скорость, время и количество подаваемого топлива определены, то можно рассчитать диаметр силовых отверстий распылителя форсунки, задавшись их числом. Для устранения опасности закоксовывания и обеспечения технологичности изготовления распылителей форсунок минимальный диаметр отверстий ограничивается 0,25-0,3 мм. Поэтому их число в автомобильных дизелях не превышает 4-5. В соответствии с этим должна быть установлена интенсивность вращения воздуха. Вращательное движение воздуха в цилиндре можно создать с помощью впускного канала тангенциальной или винтовой формы. Так же, как и у бензиновых двигателей, дополнительную турбулизацию заряда в дизеле можно создать в конце хода сжатия вытеснением воздуха из пространства между днищем поршня и головкой цилиндра.
Образование смеси с помощью второго способа - подвода топлива к воздуху - затруднено, если нельзя использовать большое число форсунок. У дизелей с разделенными камерами сгорания (предкамерных и вихрекамерных) впрыск осуществляется так, что все топливо подается во вспомогательную камеру малого объема, содержащую лишь часть воздуха, поступившего в цилиндр. При воспламенении топлива в этой камере давление повышается и вытесняет еще не сгоревшее топливо в объем основной камеры сгорания над поршнем, где сгорание завершается.
Таким образом, по способу смесеобразования различают дизели с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и дизели с разделенной камерой сгорания. При непосредственном впрыске камера сгорания образована в поршне, который имеет более высокую температуру, чем охлаждаемая головка цилиндра. Это уменьшает потери теплоты горячих газов в стенки камеры сгорания. Камера сгорания должна быть компактной с тем, чтобы потери теплоты при сжатии воздуха также не были большими и, следовательно, для достижения необходимой для воспламенения топлива температуры не требовалась слишком высокая степень сжатия. Величина степени сжатия дизеля сверху ограничена нагрузкой на кривошипный механизм и потерями на трение, а снизу - условиями обеспечения так называемого холодного пуска. При непосредственном впрыске степень сжатия ε лежит в пределах от 15 до 18. При холодном пуске дизели этого типа не требуют дополнительных мер для обеспечения воспламенения топлива.
У дизеля с разделенной камерой сгорания воздух во время такта сжатия поступает во вспомогательную камеру через соединительный канал с большой скоростью и при этом значительно охлаждается. Поэтому для обеспечения необходимой температуры к моменту воспламенения требуется более высокая степень сжатия - от 20 до 24, но, несмотря на это, при холодном пуске двигателя воздух во вспомогательной камере должен предварительно подогреваться с помощью специальной свечи накаливания, выключаемой после пуска двигателя.
Площадь поверхности основной и вспомогательной камер сгорания весьма велика, скорость движения воздуха около их стенок также достигает высоких значений. Это означает повышенную теплоотдачу в стенки, т. е. рост тепловых потерь. В связи с этим дизели с раздельной камерой сгорания имеют более высокие удельные расходы топлива, чем дизели с непосредственным впрыском.
Итак, дизели с непосредственным впрыском топлива более экономичны. Недостаток их состоит в значительном шуме при сгорании, однако у последних конструкций этот недостаток практически устранен. Главной причиной шума является высокая скорость нарастания давления в начальной фазе горения. Для устранения этого явления необходимо сократить период задержки воспламенения и управлять дальнейшим протеканием процесса сгорания посредством закона подачи топлива.
Хорошие результаты по снижению жесткости работы достигнуты в дизелях фирмы «МАН» с помощью сферической камеры сгорания, расположенной в поршне.
Форсунка в этих дизелях имеет только два отверстия, через одно из которых основная масса топлива впрыскивается на стенку камеры сгорания, а через другое - меньшая, запальная порция направляется в середину камеры, где воздух имеет наиболее высокую температуру. Воздуху в камере придано интенсивное вращение. Топливо, находящееся на стенке камеры, относительно холодное и поэтому воспламенения всей его массы сразу не происходит. Топливные пары поступают в поток воздуха со стенок камеры постепенно, смешиваются с ним, и образовавшаяся после этого топливовоздушная смесь воспламеняется. При этом обеспечивается мягкая и достаточно экономичная работа двигателя, в связи с чем возникло несколько близких по принципиальной схеме вариантов этого рабочего процесса.
В частности, в камере сгорания цилиндрической формы фирмы «Дойц» (ФРГ) одна струя впрыскивается параллельно оси камеры в пространство вблизи стенки. Полученные при этом способе результаты также можно оценить положительно. Следует отметить, что при таком смесеобразовании многое зависит от температуры стенок камеры сгорания.
При затягивании процесса сгорания теплота, выделяющаяся в течение хода расширения, используется не полностью (см. рис. 3 в статье «Влияние степени сжатия на индикаторный КПД двигателя »), из-за чего увеличивается удельный расход топлива, т. е. преимущества непосредственного впрыска топлива фактически теряются. В наиболее широко применяемых камерах сгорания тороидальной формы топливо впрыскивается по радиусу камеры на ее стенку несколькими симметричными струями, расположенными под большим углом к вертикальной оси. При сгорании вначале реагирует часть топлива, смешиваемая с воздухом прямо у стенки. Газы, образующиеся при горении, имеют высокую температуру и небольшую плотность. При сильном вращении заряда на стенки камеры за счет центробежной силы попадает холодный воздух из центральной части камеры, оттесняя к центру легкие продукты сгорания. Непосредственно вблизи стенок воздух смешивается с топливом. В лаборатории фирмы «Рикардо» (Англия) этот процесс был зарегистрирован на кинопленку.
В дизелях с разделенными камерами сгорания вспомогательную камеру довольно просто создавать и при небольших диаметрах цилиндра. Это весьма важно при конвертировании бензинового двигателя в дизель. Такая задача с успехом была решена под руководством П. Хофбауэра на двигателе автомобиля «Фольксваген Гольф» (рис. 1).
В алюминиевой головке цилиндра была образована небольшая вихревая камера сгорания с форсункой и свечой накаливания. Выемка в днище поршня и выходное отверстие канала, соединяющего вихревую камеру с цилиндром, выполнены обычным способом. Объем вихревой камеры составлял 48 % объема всей камеры сгорания. Рабочий объем двигателя был увеличен с 1100 см 3 до 1500 см 3 , степень сжатия ε = 23,5 . Мощность этого дизеля при 5000 мин -1 составила 37 кВт.
Удельный расход топлива при частоте вращения n = 2500 мин -1 дизельного и бензинового двигателей автомобиля «Фольксваген Гольф» показан на рис. 2.
При среднем эффективном давлении p e = 0,2 МПа удельный расход топлива у дизеля ниже на 25 %. С повышением нагрузки разница в топливной экономичности бензинового двигателя и дизеля уменьшается, а при работе в режиме полной нагрузки она равна нулю. Снижение удельного расхода топлива при частичной нагрузке является очень важным, так как для легковых автомобилей именно эти режимы являются наиболее типичными при движении в городских условиях.
Варианты конструкции дизеля «Фольксваген», отличающиеся размещением форсунки и свечи накаливания, показаны на рис. 1. Изменение местоположения свечи накаливания принесло уменьшение удельного расхода топлива и снижение дымности отработавших газов, что отражено на графиках, приведенных на рис. 3, а. Влияние нагрузки, т. е. среднего эффективного давления p e на те же показатели при работе двигателя в режиме постоянной частоты вращения, равной 3000 мин -1 , показано на рис. 3, б. Улучшение отчетливо видно на всех режимах работы двигателя. Вариант Б (см. рис. 1) отличается расположением свечи накаливания относительно направления вращения воздуха в вихревой камере. Эта конструкция, однако, достаточно сложна при ее реализации в производстве.
Энергетический кризис подтолкнул многих конструкторов автомобильных бензиновых двигателей к конвертированию их в дизельные с целью повышения индикаторного КПД . Конструктор и исследователь из ФРГ Л. Эльсбетт при конвертировании бензиновых двигателей достиг до 20 %. В его дизелях «ЭЛКО» используется непосредственный впрыск топлива односопловой форсункой в сферическую камеру сгорания, расположенную в днище поршня. Ось струи делит радиус камеры пополам в точке пересечения с ним. Организация рабочего процесса использует эффект перемещения горячих продуктов сгорания малой плотности в центр вращающегося в камере сгорания воздушного заряда. Вследствие этого происходит хорошее перемешивание горящей смеси с воздухом, и так как сгорание происходит в основном в центре камеры, то тепловые потери в ее стенки относительно невелики.
Поршень состоит из двух частей, причем верхняя с размещенной в ней камерой сгорания и поршневыми кольцами стальная. Сталь обладает большой термической прочностью и худшей, чем алюминий, теплопроводностью, и поэтому поверхность камеры сгорания имеет более высокую температуру, что, в свою очередь, уменьшает теплопередачу от горячих газов в стенки камеры.
Такое решение, кроме того, предотвращает повышенный износ поршневых канавок, характерный для алюминиевых поршней дизелей.
Юбка поршня, служащая направляющей, изготовлена из алюминиевого сплава и соединяется с верхней частью через поршневой палец. Такая конструкция поршня обладает свойствами крейцкопфа, т. е. уменьшает действующие на стенку цилиндра боковые силы, возникающие при движении шатуна, и создает предпосылки для исключения, являющегося одним из источников шума при работе двигателя опрокидывающего момента, который действует на верхнюю часть поршня.
Для снижения удельного давления на поршневой палец верхняя головка шатуна и бобышки днища поршня имеют клиновидную форму в сечении по оси пальца. Благодаря этому площадь верхней части бобышки днища поршня больше нижней его части. Аналогично нижняя часть втулки шатуна имеет также большую площадь, чем верхняя. Края поршневого пальца воспринимают лишь незначительные силы от юбки поршня.
Водяные каналы в головке цилиндра дизеля «ЭЛКО» исключены. Теплота отводится только от наиболее важных мест, таких как межклапанные перемычки и отверстия для форсунок при помощи масла, циркулирующего по специально высверленным каналам диаметром 6-8 мм. С целью уменьшения отвода теплоты цилиндры охлаждаются таким образом, чтобы температура их верхней зоны не превышала температуру, необходимую для обеспечения смазывания.
При таком уменьшении теплоотвода в систему охлаждения большее количество теплоты отводится, однако с отработавшими газами, что, естественно, приводит к применению турбины для использования этой теплоты. Удельные расходы топлива дизелей «ЭЛКО» изображены на рис. 4, где представлены многопараметровые характеристики пятицилиндрового дизеля с рабочим объемом 2300 см 3 мощностью 80 кВт (рис. 4, а) и шестицилиндрового с рабочим объемом 13300 см 3 (рис. 4, б) . Оба дизеля имеют газотурбинный наддув без промежуточного охлаждения наддувочного воздуха.
Уменьшение теплоотдачи в систему охлаждения позволяет использовать радиатор меньшего объема и соответственно вентилятор меньшей мощности. Если учесть необходимость отапливания автомобиля в холодный период, для чего вполне достаточно теплоты, отводимой от двигателя, то радиатор для охлаждения двигателя в этот период может вообще не потребоваться.
При сравнении удельных расходов топлива нужно учитывать влияние целого ряда факторов. Так, чем больше диаметр цилиндра, тем более выгодные условия имеются для достижения малого удельного расхода топлива. Важным является также отношение диаметра цилиндра к величине хода поршня. Л. Эльсбетт называет свой дизель «теплоизолированным», что является определенным шагом вперед в направлении создания адиабатного двигателя , о котором будет сказано в следующих главах книги. Некоторые особенности конструкции дизеля «ЭЛКО» показаны на рис. 5.
Дизели непосредственного впрыска по сравнению с дизелями с разделенными камерами сгорания имеют лучшие условия для уменьшения тепловых потерь в систему охлаждения. Выше уже говорилось о менее интенсивном охлаждении поверхности камеры сгорания и снижении скорости движения горячих газов около стенок. Однако и при непосредственном впрыске могут создаваться различные условия для отвода теплоты. В качестве примера на рис. 6 показан процесс совершенствования камеры сгорания дизеля «Татра 111А» (ЧССР).
В первом варианте этого дизеля воздушного охлаждения была использована камера сгорания полусферической формы. Таким путем при помощи больших клапанов стремились получить хорошее наполнение цилиндра и благодаря большому углу развала клапанов обеспечить возможности создания ребер охлаждения в зоне седла выпускного клапана. Для получения требуемой величины объема камеры сгорания днище поршня имело куполообразную форму, камера сгорания теряла компактность, и ее развитые поверхности охлаждения приводили к большим потерям теплоты и пониженным температурам в конце сжатия.
Уменьшив угол развала клапанов и применив почти параллельное их расположение, достигли почти плоского днища головки цилиндра и уменьшения поверхности охлаждения. Камера сгорания была размещена в днище поршня и стала более компактной. Температура стенок камеры сгорания в поршне выросла, и уменьшился отвод теплоты через них. Узкая горловина камеры сгорания обеспечила интенсивное завихривание воздуха при сжатии, что способствовало улучшению смесеобразования и регулирования процесса сгорания. Тем самым были снижены тепловые потери при сгорании, улучшены условия холодного пуска, уменьшен шум. Удельный расход топлива при этом снизился на 15 %. Сравнение начального и модернизированного вариантов камеры сгорания, показанных на рис. 6, является примером того, как с помощью конструкции камеры сгорания можно снизить расход топлива.
Потребитель при выборе отопительного котла сталкивается с очень большим количеством оборудования, которое ему предлагает современный рынок, поэтому принятие оптимального решения при покупке становится кропотливым и достаточно трудным делом. Изначально необходимо исходить из оценки возможности помещения и предпочтительного способа отопления дома.
Рекомендация большинства специалистов — установить газовый котел настенный с закрытой камерой сгорания, занимающий сейчас основную долю представленных моделей газовых теплогенераторов и применяемый в частных домах и в небольших производственных или общественных помещениях. Его качественными преимуществами являются компактность, экономичность, ценовая целесообразность и простота обслуживания.
Существует деление по типу камер сгорания котлов. Различают закрытые и открытые. Конвекционные котлы могут быть обоих типов, конденсационные обладают только закрытым типом. Более подробно про другие экономичные котлы отопления для частного дома можно прочитать .
Котлы, с открытой камерой сгорания
Открытая камера характеризуется естественной тягой. При этом забор воздуха производится из помещения, вывод продуктов сгорания производится через дымоход. В случае недостаточной вентиляции, будет постоянно ощущаться недостаток кислорода и существует риск попадания продуктов сгорания внутрь. Но эти котлы имеют более низкий порядок цены.
Котлы с камерой закрытого типа желательно устанавливать в помещении с оборудованным вертикальным дымоходом.
Котлы, с закрытой камерой сгорания
Имеющий в своем устройстве принудительную тягу, газовый котел с закрытой камерой сгорания делает возможным удалять продукты сгорания с помощью электровентилятора из камеры через коаксиальный дымоход. Последний представляет собой одну трубу, находящуюся внутри другой. В камеру сгорания воздух засасывается через наружную трубу, а выводится через внутреннюю. Обычное расположение такого котла вертикальное.
Настенные и напольные котлы
По вариантам исполнения различают напольные и настенные котлы.
Тип настенных котлов обладает преимуществом более компактного расположения, занимая немного места, что делает их применимыми даже в городских квартирах. Устанавливая газовый напольный котел с закрытой камерой сгорания, нужно помнить, что может потребоваться отдельное помещение. Но они обладают большей мощностью и оборудованы чугунными теплообменниками. Далее, газовые котлы для отопления дома бывают двухконтурные и одноконтурные.
Одноконтурные газовые котлы
Задачей, которую выполняют одноконтурные газовые котлы с закрытой камерой сгорания, — обеспечение отопления. Двухконтурные выполняют одновременно функцию отопления, а также производство санитарно-технической горячей воды. Нередко используемые котлы отопительные газовые одноконтурные в своем устройстве имеют способ нагрева теплоносителя в теплообменнике и дальнейшее его поступление в систему отопления, там производится отдача тепла и нагрев помещения.
Двухконтурные газовые котлы
Двухконтурный котел, являясь эффективным обогревательным устройством, имеет несколько иное устройство. Он используется, когда нужно решить задачи потребности наличия горячей воды и обеспечить достаточный уровень отопления. Выбор большинства потребителей остается за настенными газовыми двухконтурными котлами с закрытой камерой сгорания. Подключение, монтаж и дальнейшее использование не потребует многих усилий и времени.
Особенности устройства газового котла с закрытой камерой сгорания
Основное различие представленных на рынке котлов с открытой и закрытой камерами сгорания заключено в способе поглощения ими кислорода как конструктивной особенности. Для того чтобы отапливать жилое помещение, более правильным будет выбрать газовый котел закрытая камера сгорания которого обеспечит лучшую применимость для дома.
Вариант приобретения открытой формы лучше использовать в помещениях-котельных. Открытая камера работает по принципу поглощения в комнате кислорода из воздуха. При этом нужно позаботиться о постоянном ее проветривании, чтобы избежать нехватки воздуха.
В процессе работы закрытой камеры сгорания воздух, обеспечивающий ее нормальное функционирование, поглощается посредством установленного коаксиального дымохода с улицы. Далее переработанные этой камерой продукты выводятся также на улицу. Это позволяет обходиться без дополнительных вентиляционных сооружений.
Камера сгорания находится отдельно от помещения с теплогенератором.
Это приводит к тому, что утечка газа или продуктов сгорания становится невозможной, так как из дома не забирается воздух. При герметичности газового трубопровода и отсутствии повреждений на камере сгорания будет исключена возможность аварии. Забор и удаление воздуха происходят принудительно, используется вентилятор котла.
Часто котлы с закрытой камерой сгорания называют турбированными. Технологически коаксиальная труба и раздельные каналы могут быть выведены горизонтально, что исключает нужду в вертикальном дымоходе.
Преимущества использования газовых котлов с закрытой камерой сгорания
Несомненными преимуществами обладает газовый напольный котел с закрытой камерой сгорания, среди них следует выделить главные. При выбросе отработанного материала все продукты газа остужаются. Это делает применение таких котлов безопасным. Помещение, в котором используется такое устройство, прогревается без образования различных загрязнений воздуха, процессы сгорания происходят уже за территорией помещения или дома, на улице. Поэтому применение газовых котлов является комфортным.
КПД газового котла имеет достаточно высокий показатель.
Это обусловлено тем, что поступающий в трубу воздух согревается. Вследствие этого котлы закрытой формы камеры сгорания обладают качествами экологической чистоты. Газ в них дожигается лучше при существенном снижении выбросов в природу.
Наряду с этим, необходимо отметить, что такое оборудование не сможет работать без электричества — в этом случае теплогенератор выключится, и остановится функционирование вентилятора. При появлении электричества запуск котла производится автоматически.
Популярные марки газовых котлов
Установка настенных газовых котлов происходит повсеместно. Они широко стали использоваться для отопления квартир, домов, коттеджей и дач. Котлы поставляются для подключения с максимумом комфорта и минимумом монтажа. Они компактны и имеют современный дизайн.
Настенный газовый котел Wolf CGG 1K 24
Предназначенный для горячего водоснабжения проточного режима и отопления настенный газовый котел Wolf CGG 1K 24, характеризуется высоким КПД и может быть установлен на самых разных объектах. Котел прекрасно адаптирован для работы в непростых условиях, учитывая нестабильность давления газа, и гарантирует эффективное решение задач отопления и подачи горячей воды.
Среди его достоинств отмечают надежное и стабильное функционирование даже при скачках электричества или перепадах давления газа. Он обладает крепкой конструкцией и простотой монтажа. Продуманный функционал позволяет установленной газовой арматуре выбирать оптимальный режим и экономить потребление газа. Комплектующие котла прошли строгий контроль.
Газовый котел Гефест
Отечественный газовый котел Гефест, производимый ЗАО ПКФ «ГЕФЕСТ ВПР», имеет модельный ряд с закрытой или открытой камерой сгорания и с отводом горячей воды.
Котлы Гефест отвечают всем существующим потребностям отопительного оборудования.
Применяемая в них итальянская газовая автоматика обеспечивает бесперебойную работу. Простота системы и минимальное количество используемых узлов исключают неисправности. Имеющиеся на газовый котел Гефест отзывы говорят о его простоте в обслуживании, прочности и производительности. Их автоматика продолжает работать даже в случаях существенного падения давления газа. С другими моделями отечественных котлов можно ознакомиться в нашей статье .
Таким образом, устанавливая котлы газовые с закрытой камерой сгорания самых различных производителей, выбирается оптимальный вариант для многих типов жилых помещений, что послужит гарантией комфортной жизни.
Рекомендуем также
Всё о гарантийном ремонте товара
Относительная величина выполнения плана
Защита прав работников в России: всё, что нужно знать руководителю и подчиненному
“Ошибочно” присланное письмо о переводе средств На майл пришло письмо о переводе денег
Увольнение сотрудника по болезни или состоянию здоровья – правила оформления и выплаты
Стив Шапиро. Проживая Америку. Стив Шапиро: Проживая Америку Проживая америку выставка фотографий стива шапиро
Loading...