Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А., страница 5

При этом промегкуточная зона становится как бы продолжением первичной зоны н позволяет увеличить время пребывания газов при высокой температуре, прежде чем произойдет их охлаждение и возможное замораживание реакций в зоне разбавления. Длина промежуточной зоны определяется в результате компромисса между увеличением длины камеры и снижением полноты сгорания топлива. Характерная величина ее составляет от 0,5 до 0,7 диаметра или высоты проточной части жаровой трубы. В авиационных двигателях, предназначенных для длительной работы на высотных крейсерских режимах, длина промежуточной зоны может быть равна высоте проточной части жаровой трубы. Длина этой зоны должна определяться минимальной длиной, необходимой для перемешивания промежуточного воздуха с потоком газа, и минимальным временем пребывания, необходимым для завершения процесса горения.

ЗОНА РАЗБАВЛЕНИЯ Избыточный воздух, который не участвует в горении топлива и охлаждении стенок, подается внутрь жаровой трубы в зоне разбавления с тем, чтобы получить среднюю температуру и профиль (эпюру) температуры по поперечному сечению, приемлемые для турбины.

Этот воздух вводится через один или несколько рядов отверстий в стенках жаровой трубы. Размер и форма этих отверстий оптимизируются по глубине проникновения струй н эффективности смешения их с основным потоком газа. Глубина проникновения струй зависит от соотношения между количеством движения струи и количеством движения основного потока. При обычных для жаровых труб значениях перепада давления максимально возможная глубина проникновения составляет около пяти начал ных диаметров струи. Поскольку струи должны внедряться в поперечный основной поток, минимальный их размер должен быть соотнесен с высотой проточной части жаровой трубы.

Количество воздуха, которое обычно подается в зону разбавления, варьируется между 20 и 40 ' суммарного расхода воздуха через камеру сгорания. Теоретически считается, что путем удлинения зоны разбавления или существенного увеличения перепада давления на стенке жаровой трубы можно достичь любой заданной степени перемешивания. В действительности, однако, при удлинении зоны разбавления качество сме- Основные сведения е нвмерак сгорания Гтд и!ения улучшается существенно только вначале. При дальнейшем увеличении длины влияние ее постепенно уменьшается 16). Таким образом, длина зоны разбавления определяется в основном диаметром струй, который в свою очередь связан с высотой проточной части жаровой трубы. Вследствие этого отношение !./ду для зон разбавления различных камер изменяется в узких пределах — от 1,5 до 1,8.

В современных высокосовершенных газотурбинных двигателях поле температуры газа должно удовлетворять следующему в Рнс. !.6. Основные элементы камеры сгорания газотурбинного двигателя, 1 — воздушный завилрительч 2 — воздухозаборник: 8 — диффузар: 4 — таплнвнаяафорсунка; 8 в головка (фронтонов устройство): 8 †отверст первичной зоны: т †жаров труба; 8 — щель для окчаждающей завесы: Э вЂ” внешний кальиевой канал: !Π— внутренний кочьпевой канал; П вЂ отверст зоны разбавления: '18 †корп; 18 †отверст гчроыежуточнай зоны.

основному требованию: температура должна быть минимальной у корня лопаток турбины (в месте наибольших напряжений) и у вершины лопаток (с целью зашиты материалов, используемых для уплотнения). Создание нужной радиальной эпюры температуры на выходе из камеры сгорания является задачей первостепенной важности, поскольку она влияет как на допустимое значение средней температуры газа перед турбиной, так и на ресурс всей горячей части двигателя.

В связи с важностью и сложностью этой задачи доводка температурного поля газа обычно составляет значительную часть объема работ, затрачиваемых на создание камеры сгорания. Расположение рассмотренных выше трех основных зон, а также других конструктивных элементов камеры сгорания и отверстий для подвода воздуха показано на рис.

1.6. ВПРЫСКИВАНИЕ ТОПЛИВА Чрезвычайно важное влияние на характеристяки камеры газотурбинного двигателя оказывают процессы распыливания и испарения жидкого топлива. Обычно применяемые в ГТД топлива 2б Глава 1 не обладают высокой летучестью, поэтому для того, чтобы обеспечить их испарение в количествах, достаточных для воспламенения и горения, необходимо дробить (распыливать) топливо на большое число капель, увеличивая тем самым во много раз поверхность испарения. Чем меньше размер капель, тем больше скорость их испарения. Особенно сильное влияние размер капель оказывает на характеристики воспламенения топлива, поскольку даже небольшое снижение качества распыливания требует существенного увеличения энергии источника поджигания.

Качество распыливания оказывает также влияние на пределы устойчивого горения, полноту сгорания топлива на режиме малого газа, а также уровни выбросов дыма, окиси углерода и несгоревших углеводородов. Центробежная форсунка Наиболее распространенный метод механического распыливания топлива заключается в продавливании его под большим перепадом давления через специальные отверстия. В' камерах сгорания угол факела распыленного топлива обычно близок к 90', что обусловлено необходимостью минимизации длины жаровой трубы. Получить угол распыла такой величины с помощью струйной форсунки не представляется возможным, поэтому большое распространение получили центробежные форсунки, в которых топливная струя предварительно закручивается. Основная проблема при этом заключается в обеспечении хорошего распыливания в широком диапазоне изменения расходов топлива, например когда максимальный расход в 40 раз превышает минимальный.

Если сопло в форсунке имеет малый диаметр, что обеспечивает хорошее распыливание при небольших расходах топлива, то перепад давления при большом расходе топлива возрастет до недопустимо высокого уровня. С другой стороны, в случае большого диаметра сопла форсунки топливо будет распыливаться неудовлетворительно прн малых расходах, характерных для высотных режимов, на которых полнота сгорания обычно снижается из-за низкого давления окружающей среды, Проблема эта была решена путем применения форсунок с двумя концентрично расположенными соплами. Внутреннее цилиндрическое сопло малого диаметра в такой форсунке охватывается основным кольцевым соплом большого диаметра.

При небольших расходах топливо хорошо распыливается потому, что подается только через пусковое (дежурное) сопло малого диаметра. По мере увеличения давления подачи расход топлива возрастает. При некоторой заданной величине давления открывается клапан и топливо начинает поступать также через основ. ное сопло форсунки. Такое устройство обеспечивает при отно. сительно умеренных давлениях подачи удовлетворительное рас- Основные «веденин е намерен «горения Гтд пыливание топлива в широком диапазоне изменения его расходов. Форсупку обычно проектируют так, чтобы угол конуса основного факела распыленного топлива был меньше угла топливного факела пусковой ступени.

Благодаря этому обе топливные струи сливаются у самого выхода нз форсунки. Наихудшие условия для распыливания возникают сразу после открытия клапана второй ступени, когда на распыливание основного топлива затрачивается значительная часть кинетической энергии струи пусковой ступени. К основным достоинствам центробежных форсунок относятся их высокая механическая надежность и способность поддерживать процесс горения очень бедных смесей. К их недостаткам следует отнести возможность засорения узких форсуночных каналов содержащимися в топливе посторонними включениями, а также склонность к сажеобразованию при высоких давлениях в камере сгорания. Форсунка с перепуском топлива Интересной разновидностью центробежной форсунки является форсунка с перепуском топлива, у которой в центре задней стенки камеры закручивания располагается отверстие для перепуска топлива.

Установленный в перепускной линии клапан позволяет регулировать расход топлива таким образом, чтобы через распыливающее сопло в камеру подавалось заданное количество топлива, а остальное топливо перепускалось по этой линии обратно в топливный бак. Важным достоинством такой системы является то, что она позволяет поддерживать высокое давление подачи топлива при любых, даже самых низких расходах топлива и на всех режимах обеспечивает высокое качество распыливания. К другим ее достоинствам относятся отсутствие движущихся частей, а также сравнительно большие сечения проточных каналов, рассчитанные на постоянный максимальный расход топлива и вследствие этого не подверженные опасности засорения.

Основной недостаток форсунок с перепуском заключается в повышенных. затратах мощности на привод топливного насоса, а также в изменении корневого угла топливного факела при изменении расхода топлива. Вращающаяся струйная форсунка Вращающиеся форсунки не нашли широкого применения в газотурбинных двигателях, если не считать одного примечательного исключения, а именно форсунки, разработанной французской фирмой «Тюрбомека» (это устройство используется в радиально-кольцевой камере сгорания, показанной на рис. !0.26). Глава 1 Топливо под низким давлением подается по внутреннему каналу основного вала двигателя, а затем через радиальные отверстия в стенках вала впрыскивается в камеру. Обычно эти отверстия для впрыска топлива располагают в одной плоскости; однако в некоторых случаях для того, чтобы улучшить равномерность распределения топлива и избежать излишнего ослабления полого вала, используют два пояса отверстий.

Основное преимущество системы фирмы «Тюрбомека» заключается в ее простоте и дешевизне. Низконапорный топливный насос, по утверждению фирмы, обеспечивает удовлетворительное распыливание топлива даже при очень низких (вплоть до 10% от максимальных) частотах вращения вала. Влияние вязкости топлива практически не сказывается, поэтому такая система может быть использована для распыливания любых топлив. К основным недостаткам этой системы следует, по-видимому, отнести трудности, связанные с выбором местоположения свечи зажигания, плохие характеристики высотного запуска и инерционность топливной системы, медленно реагирующей на изменение расхода топлива, что обусловлено большой длиной топливных коммуникаций.