Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А., страница 3

Это достигается путем локального подвода небольшого количества воздуха. Таким образом, рис. 1.1 иллюстрирует логическое развитие принципа организации рабочего процесса в камере сгорания наиболее распространенной схемы. Существует соответственно большое число вариантов основной схемы, приведенной на рнс. 1.1,г. Однако в общем случае конструкция любой камеры сгорания ГТД всегда имеет следующие основные элементы: корпус, диффузор, жаровую трубу, топливную форсунку. Выбор схемы и конкретного типа камеры сгорания определяется в основном требованиями к двигателю, однако в немалой степени зависит также от размеров отведенного для камеры пространства, которое необходимо использовать с максимальной эффективностью. В крупных авиационных двигателях почти без исключения применяются камеры сгорания прямоточной схемы, в которых воздух течет параллельно оси камеры. В случае двигателей меньшей мощности более компактными оказываются кольцевые камеры с противоточным течением воздуха, которые позволяют существенно уменьшить расстояние между компрессором и турбиной.

Обычно топливо подается в зону горения в хорошо распыленном виде. Распыливание топлива производится либо при подаче его под большим давлением через точно выполненное отверстие (сопло), либо с помощью струи воздуха, которая, втекая с большой скоростью в зону горения, попутно дробит топливо на мелкие капли. Для создания такой струи воздуха используется перепад давления на жаровой трубе. ') ЕЧцца)епсе тано — величииа, обратная принятому в отечествеииой литературе коэффициенту избытка воздуха (окислителя). Часто переводится как яэквивалеитиое отиошеииеэ. — Прим. рео. Основные сведеннв о номеров сгорвннв Гтд ТРЕБОВАНИЯ К КАМЕРАМ СГОРАНИЯ Камера сгорания газотурбинного двигателя должна удовлетворять широкому кругу требований, относительная важность которых зависит от типа двигателя. Общими для всех камер сгорания являются следующие требования: 1.

Высокая полнота сгорания топлива (топливо должно сгорать так, чтобы вся его химическая энергия превращалась в тепло). 2. Надежный и плавный запуск в земных условиях (особенно при низких температурах окружающей среды), а для авиационных двигателей — и на больших высотах (в случае срыва пламени). 3. Широкие пределы устойчивого горения (пламя не должно погасать в широком диапазоне изменения давления, скорости и отношения топливо/воздух). 4. Отсутствие пульсаций давления и других проявлений нестабильности, вызванных процессом горения.

5. Низкие потери полного давления. 6. Выходное поле температуры газа (т. е. степень неравномерности температуры по поперечному сечению камеры) должно удовлетворять условию максимальной долговечности рабочих и сопловых лопаток турбины. 7. Низкий уровень выбросов дыма, несгоревшего топлива и газообразных веществ, загрязняющих атмосферу. 8. Минимальная стоимость конструкции и простота ее обслуживания при эксплуатации. 9. Конфигурация и размеры камеры должны быть совместимы с контуром двигателя. 1О. Большой ресурс.

11. Способность работы на различных топливах. Для авиационных двигателей важнейшими дополнительными требованиями являются малые размеры и масса; в стационарных газотурбинных двигателях большее внимание уделяется таким требованиям, как ресурс и возможность работы на различных топливах. ТИПЫ КАМЕР СГОРАНИЯ Двумя основными типами камер сгорания являются трубчатые и кольцевые камеры. Широко применяются также так называемые трубчато-кольцевые камеры, в которых жаровые трубы трубчатой конструкции располагаются равномерно по окружности внутри кольцевого корпуса. Трубчатые камеры сгорания Трубчатая камера сгорания состоит из цилиндрической жаровой трубы, расположенной концентрично внутри цилиндрического корпуса.

Трубчатые камеры характерны для большинства 16 Глава 1 турбореактивных двигателей ранних конструкций: число камер в двигателях варьировалось обычно в пределах от 7 до 1б. В газотурбинных двигателях малой мощности применение одиночной трубчатой камеры сгорания может оказаться выгодным и в настоящее время. Однако для большинства авиационных двигателей трубчатые камеры сгорания неприемлемы из-за большой длины и массы, а также потому, что при их использовании существенно возрастают площадь поперечного сечения и лобовое сопротивление двигателя. Кольцевые камеры сгорания К камерах такого типа кольцевая жаровая труба располагается концентрично внутри кольцевого корпуса.

Такая «гладкая» в аэродинамическом отношении конфигурация позволяет создавать компактные конструкции с меньшими потерями давления, чем в камерах других типов. К сожалению, отличные аэродинамические характеристики этой схемы приводят к одному нежелательному последствию — небольшие неравномерности поля скорости во входном сечении могут вызвать существенные возмущения в поле температур газа в выходном сечении камеры. Другая проблема, важная для кольцевых камер больших размеров, связана с большими изгибными нагрузками, действующими на внешнюю обечайку жаровой трубы.

Деформация жаровой трубы приводит к нарушению течения охлаждающего воздуха и искажению поля температуры газа за камерой сгорания. Стендовые испытания кольцевых камер сгорания требуют больших расходов воздуха, высоких уровней давления и температуры для воспроизведения режимов максимальной мощности. Трубчато-копьцевые камеры сгорания В трубчато-кольцевых камерах сгорания цилиндрические жаровые трубы устанавливаются, как показано на рис, 1.2, внутри общего кольцевого корпуса. Такая схема представляет собой попытку сочетать компактность кольцевой камеры с достоинствами трубчатой. По сравнению с кольцевой трубчато- кольцевая камера имеет одно важное преимущество, состоящее в возможности при экспериментальной доводке использовать сегменты (отсеки), содержащие одну или несколько жаровых труб, и вследствие этого обходиться относительно небольшими расходами воздуха, Основная проблема при конструировании трубчато-кольцевых камер состоит в организации удовлетворительного безотрывного обтекания жаровых труб; серьезные 17 Основные сведения о намерак сгорания ПД трудности, в частности, могут возникнуть при проектировании диффузора.

Трубчато-колытевые камеры сгорания до сих пор находят довольно широкое применение, хотя большинство камер для а Рис. 1.2. Различные типы прямоточнык камер сгорания. а †трубчатая (олииочааяи б †трубчатая (с балыиим числам труб); а †трубча-кольцевая; а — кольцааая. современных двигателей большой мощности выполняется по кольцевой схеме. Достоинства и недостатки трубчатых, кольцевых и трубчато-кольцевых камер сгорания указаны в табл. 1.1. ДИФФУЗОР Одним из требований к камерам сгорания является требование снижения до минимума суммарных потерь полного давления 1)Рз л. Суммарные потери складываются из двух 18 Глава 4 Таблица Д! Достоинства и недостатки различных типов камер сгорания ГТД тип камеры Достоинства Недоствткп Трубчатая 1.

Хорошая иехапическая прочность 2. Хорошее согласование полей течения топлива и воздуха 3. Небольшой расход воздуха прн стендовых испыта- ннях 1. Большие габариты и масса 2. Значительные потеря полного давления 3. Требуются соединительные патрубки 4. Трудности с осуществлевием переброса пламени 1. Минимальные длина и масса 2, Минимальная лобовая площадь двигателя 3.

Минимальные потери полного давления 4. Быстрое распространение пламени Кольцевая Трубчато- кольцевая составляющих — гидравлических потерь гхРко„возникающих при течении воздуха по тракту камерь, и потерь рхРсор обусловлен- ных подводом тепла к движущемуся с большой скоростью газу.

Таким образом, имеем (1.1) БРз-и = йРкол+ й~ гор' Гидравлические потери представляют собой сумму потерь в диффузоре и жаровой трубе. Для оценки общих характеристик двигателя распределение потерь между диффузором и жаровой трубой не имеет значения. Однако в отношении камеры сгорания это важно, так как потери давления в диффузоре представляют собой прямые потери энергии, тогда как перепад давле- !. Хорошая механическая прочность 2. Хорошее согласование полей течения топлива и воздуха 3, Небольшой расход воздуха при стендовых испытаниях 4. Малые потери полного давления 5. Меньшие, чем у трубчатой камеры, длина и масса 1. Большие напряжения во внешней обечайке жаровой трубы 2.

При стендовых испытаниях камеры требуется расход воздуха, равный расходу в двигателе 3. Трудно согласовать поля течения топлива и воздуха 4. Трудно обеспечить стабильность поля температуры на выходе 1, Меньшая, чем у кольцевой, компактность камеры 2. Требуются соединительные патрубки 3. Трудности с осуществлением переброса пламеяи Основные сведения о иамерас сгорания Гтд 19 0 005 0,10 0,15 0,20 число Маха иа входе Рис. 1.3. Потери давления, связанные с подводои тепла. нпя на стенке жаровой трубы преобразуется в энерп1ю турбулентного движения, которая благоприятным образом влияет на процессы горения и перемешивания.

Таким образом, в идеальной камере сгорания потери в диффузоре должны быть равны нулю, а суммарные гидравлические потери должны быть близки к перепаду давления на стенках жаровой трубы. В современных камерах сгорания гидравлические потери составляют обычно от 2 до 6% полного давления за компрессором. Отиоееиие Потери полного давления, обусловленные подводом тепла 5 к потоку газа, определяются выражением 2,5 (1.2) ф в о 2 Здесь Т,— температура воздуха перед камерой, а Т4 — температура газа за камерой сгорания. На рис. 1,3 приведены зависимости потерь полного давления, связанных с подводом тепла, от числа Маха потока для различных значений отношения Т,уТв.

Для уменьшения скорости воздуха, поступающего в камеру, и снижения потерь давления до приемлемого уровня обычно применяются днффузоры. Назначение диффузора не ограничивается только снижением скорости; он должен также обеспечить преобразование скоростного напора в давление с минимальными потерями и создать устойчивое равномерное поле скорости перед жаровой трубой.

Рис. 1.4 иллюстрирует два принципиально различных подхода к проектированию диффузора. Целью одного из них является создание безотрывного (хотя и относительно длннного) диффузора, обеспечивающего максимальную степень преобразования скоростного напора в давление, а другого — создание короткого кольцевого диффузора, за которым следует резкое расширение сечения со срывом потока. Срывной диффузор значительно короче безотрывного и, как считается, менее чувствителен к изменению поля скорости за компрессором.

Существенным его недостатком являются повышенные потери давления; кроме того, для него характерен низкий перепад статического давления на стенке фронтового устройства жаровой трубы, что обусловлено резким ускорением потока, обтекающего фронтовое устройство. Это 20 Глава 1 препятствует использованию завесы для охлаждения стенок фронтового устройства. В настоящее время широко используются диффузоры обоих типов. Однако постепенно все большее предпочтение конструкторы начинают отдавать срывным диффузорам. Это объясняется, в основном, технологическими трудностями, связанными с изготовлением безотрывных диффузоров.