Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А., страница 6

Сложной проблемой может стать и охлаждение стенок камеры, если такую систему топливоподачи использовать в двигателях с высокой степенью повышения давления. Пневматическая форсунка Принцип действия такой форсунки весьма прост и состоит в том, что топливо подается при низком перепаде давления на некоторую поверхность, край которой находится в высокоскоростном потоке воздуха. Топливо, стекающее с этого края, дробится воздушным потоком на капли, которые вносятся потоком в зону горения.

Размеры капель тем меньше, чем совершеннее контакт между жидкой пленкой и воздушным потоком. В частности, очень важно, чтобы жидкая пленка, стекающая с края поверхности, обтекалась воздухом с обеих сторон. В этом случае образующиеся капли жидкости остаются взвешенными в потоке воздуха и жидкость не осан дается на твердой поверхности. Применение пневматических форсунок в камерах сгорания газотурбинных двигателей создает ряд преимуществ.

Так, распределение топлива определяется в основном направлением воздушных потоков, и поэтому поля температуры газа на выходе из камеры не зависят от расхода топлива. При горении не образуется твердого углерода, вследствие чего снижается температура стенок жаровых труб, а также уровень дымления двигателя. Кроме того, поток воздуха, поступающего пз компрессора, предохраняет от перегрева некоторые теплонапряженные эле- 29 Основные сведения о намераа сгорания Гтд менты форсунки. К основным недостаткам такой конструкции следует отнести довольно узкие пределы устойчивого горения и низкое качество распыливания топлива при запуске вследствие малых скоростей воздуха на режимах запуска.

Оба этих недостатка могут быть устранены, если пневматическую форсунку сочетать с пусковой центробежной форсункой. При малых расходах все топливо поступает через пусковую центробежную форсунку, обеспечивающую хорошее распыливание на режимах запуска и малой мощности. На рабочих режимах топливо подается обеими форсунками, причем доля топлива, подаваемого пневматической форсункой, постепенно возрастает и становится доминирующей при максимальных расходах топлива. Таким образом удается использовать достоинства центробежной форсунки при малых расходах топлива, а именно легкий запуск и широкие пределы устойчивого горения, и преимущества пневматической форсунки при больших расходах топлива. Форсунка с подачек вспомогательного воздуха Это, по существу, центробежная форсунка, в которой для повышения качества распыливания при низких давлениях подачи топлива используется высокоскоростной поток воздуха.

Такая форсунка отличается от пневматической главным образом тем, что воздух в нее поступает периодически (в основном при запуске), тогда как в пневматической форсунке — постоянно. Обе эти форсунки работают с малыми относительными расходами воздуха (составляющиаги около половины расхода топлива), однако скорость вспомогательного воздушного потока в рассматриваемой форсунке выше скорости воздуха в пневматической форсунке.

Для создания высокоскоростного воздушного потока требуется внешний источник снабжения воздухом или паром. В этом состоит основной недостаток форсунок с вспомогательным подводом воздуха, особенно при их использовании в авиационных двигателях. Испарительная система топливоподачи Принципиально отличается от рассмотренных ранее методов другой метод подготовки жидкого топлива к сгоранию, который заключается в предварительном нагреве его до температуры, превышающей температуру кипения самого тяжелого из входящих в его состав углеводородов, и в полном его испарении до начала процесса горения. Этот метод применим, конечно, только к таким высококачественным топливам, которые при полном испарении не дают твердых остатков.

При использовании более тяжелых, чем керосин, топлив возникает необходимость Глава 1 зо довольно часто производить очистку элементов нспарптельной системы. Вообще говоря, испарптельные системы топлнвоподачи появились раньше распылительных форсунок. Действительно, еще в первых конструкциях камер сгорания, созданных Уитллом, топливо нагревалось в трубках, расположенных в зоне горения. В этих трубках поддерживалось высокое давление, вследствие чего процесс испарения мог начаться только после впрыскивания топлива через жиклер и снижения его давления до уровня давления в камере сгорания. Такой метод, связанный с мгновенным вскипанием и быстрым испарением топлива при резком понижении давления, в настоящее время применяется редко, как из-за проблем, связанных с крекингом топлива и отложением кокса в нагревательных трубках, так и вследствие трудностей с регулированием расхода топлива.

В другой, более простой испарительной системе жидкое топливо вместе с некоторым количеством воздуха подается в трубки, находящиеся в пламени. Топливовоздушная двухфазная смесь нагревается от стенок трубки и вытекает из нее в виде газовой смеси полностью испаренного (в идеальном случае) топлива и воздуха.

Остальной необходимый для горения воздух вводится через отверстия в головной части жаровой трубы и реагирует с топливовоздушной смесью, вытекающей из испарительных трубок. При запуске камеры, когда вследствие низкой температуры трубок топливо не испаряется, для поджигания смеси используется простейший факельный воспламенитель.

Испарительные системы обладают рядом преимуществ, к которым относятся низкая стоимость, умеренные давления подачи топлива, малое сажеобразование. К недостаткам следует отнести возможность прогара испарительных трубок и чувствительность системы к виду топлива. Отметим, что термин «испарительная система», по существу, не отвечает действительности, так как из-за низкой интенсивности теплоподвода к трубкам в них испаряется лишь небольшая часть подаваемого топлива. Такую систему можно считать испарительной только при очень малых расходах топлива. Рассмотренная система топлнвоподачи применяется в некоторых современных двигателях.

Выбор ее обусловлен, по-видимому, тем, что она обеспечивает равномерное распределение топлива по объему первичной зоны. Предварительное испарение и смешение топлива с воздухом Камеры со сжиганием предварительно подготовленной бедной смеси применяются в тех случаях, когда требуется получить очень низкий уровень выбросов вредных веществ. Тонко распы- зу Основные саадання о иамарах сгорания Гтд ленное топливо впрыскивается в высокоскоростной поток воздуха, поступающего затем в зону горения. Основное назначение такого устройства состоит в полном испарении топлива и тщательном перемешивании его с воздухом до вступления в процесс горения.

При достаточно бедной смеси и отсутствии в реакционной зоне горящих капель удается резко уменьшить образование окислов азота. Это обусловлено двумя обстоятельствами — снижением температуры пламени и отсутствием в и зоне горения особо горячих локальных объемов. Недостатками такой системы являются неполное испарение и смешение топлива, возможность самовоспламенения или проскока пламени в смесительное устройство, плохие срывные характеристики, трудность запуска. Некоторые из этих трудностей могут быть преодолены путем зонного распределения топлива или регулирования распределения воздуха, что,конечно, приведет к возрастанию стоимости и сложности камеры.

Основные типы форсунок г для впрыскивания жидкого топлива схематично представ- Вовдзш лены на рис. 1.7. Гопппво Пусковое авилово Основное топливо б ОсПОВНОЕ шоппово Пусковое шоппиво в Вовдук Подача газообразного топпмва Рис. К7, Основные типы форсунок. Сжигание Высококалорий- и сдпсступе чатеяпсптоснежпая;в — деух ступенчатая(дпухнанальнаяв в †даухспплсНык гаэообраЗНЫХ ТопЛИВ В пая; а — пненматическа»; д — с предаари- 1Г Д тД усик либсу телыпам смешением н испарением, Д не вызывает каких-ли о серьезных трудностей. При использовании низкокалорийных газообразных топлив расход топлива может достигать 1/5 суммарного расхода газа через камеру сгорания; это может привести к существенному рассогласованию характеристик компрессора и турбины, особенно в двигателях, предназначенных для работы на разных топливах.

Другая проблема, возникающая при использовании низкокалорийных газообразных топлив, связана с малой скоростью реакции 32 Глава т их окисления и необходимостью дополнительного увеличения объема зоны ~орения (и без того большой вследствие большого объемного расхода газообразного топлива). Газообразные топлива могут вводиться в камеру через круглые отверстия, шели, завихрители, трубки Вентури. В некоторых случаях трудно подобрать оптимальную скорость смешения в зоне горения. При слишком большой скорости смешения ухудшаются характеристики срыва пламени на бедных смесях; при низкой скорости смешения может возникнуть «жесткое» горение.

ОХЛАЖДЕНИЕ СТЕНОК Жаровая труба используется для локализации процесса горения топлива, а также для распределения воздуха в заданных пропорциях по отдельным ее Йза зонам. Современные жаровые трубы обычно изготавливаются нз листовых металлических заготовок посредством пайки или сварки [71. Конструкция жаровой трубы должна быть доста=ю точно жесткой, чтобы противостоять изгибным нагрузкам, создаваемым перепадом давления на ее стенках. Она должна ~аак гаво има гата шуа гад также обладать высокой тер- Гобы мостойкостью, чтобы противорис. К8 Ианенение обшей степени по- стоять постоянномУ н Цикличевышения давления в турбореактивных скому воздействию высоких двигателях [81.