Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А., страница 7

температур. Это достигается — одноконтурные двигатели; — — — дауа применением жаропрочных н контурные двигатели. жаростойких материалов в сочетании с использованием эффективных систем воздушного охлаждения. В современных камерах сгорания ГТД на охлаждение стенок жаровых труб может использоваться до 50 о[о общего расхода воздуха. Температура стенки жаровой трубы определяется балансом тепловых гютоков к стенке конвекцией н радиацией от горячего газа, с одной стороны, н тепловых потоков от стенки конвекцией в поток воздуха в кольцевом канале и радиацией в корпус камеры сгорания — с другой. Проблема охлаждения стенок стала особенно острой в связи с возрастанием степени повышения давления в газотурбинных двигателях (рис. 1.8). Следует иметь в виду, однако, что это не обусловлено непосредственно высоким давлением; само по себе возрастание степени повышения давления является благоприятным фактором, позволяющим уменьшить удельную поверхность жаровой трубы 18).

Трудности возникают вследствие того, что зз основные сведения о камерах сгорания Гтд одновременно с ростом давления повышается температура воздуха на входе в камеру. Повышение температуры воздуха приводит, с одной стороны, к возрастанию температуры горения и как следствие к увеличению теплового потока в стенку жаровой трубы, а с другой стороны, к снижению хладоресурса охлаждающего воздуха.

Эффект уменьшения удельного расхода топлива при увеличении степени повышения давления возрастает при одновременном повышении температуры газа перед турбиной. Это также оказывает заметное влияние на температуру стенок жаровой трубы, особенно в ее хвостовой части. Увеличение расхода охлаждающего воздуха по сравнению с и без того высокими его значениями в современных двигателях недопустимо из-за возможного ухудшения радиальной эпюры температуры газа на выходе из камеры и снижения вследствие этого ресурса рабочих лопаток турбины.

Таким образом, единственной практически значимой альтернативой следует считать повышение эффективности использования охлаждающего воздуха. Методы охлаждения стенок Во многих камерах сгорания ГТД ранних конструкций использовалось пленочное (заградительное) охлаждение стенок; м 1250' Т гвхг ьй 7 750 500 7955 1950 1955 Ю70 7975 7950 1995 Гадьг н 40 ехг ТЕЗ9 50 Я,9100 5 20 я о 70 о 0 й 500 750 1000 7250 7500 4 з-4' Рис. !.9. Тенденции развития кольцевых камер сгорания 171. поэтому жаровые трубы изготовлялись из отдельных штампованных цилиндрических секций с кольцевыми щелями в местах соединений ~71. Из этих щелей пелена охлаждающего воздуха вводится вдоль стенки с горячей стороны жаровой трубы, защищая таким образом ее от воздействия горячих газов.

Ширина такой кольцевой щели поддерживается постоянной с помощью гофрированной ленты. При такой конструкции сложной проблемой является обеспечение точного дознрования расхода 3 Заа. 761 34 Глава 4 охлаждающего воздуха. В этом отношении более совершенной следует считать оросительную систему охлаждения, при которой охлаждающий воздух вводится в жаровую трубу через ряд отверстий малого диаметра.

Воздушные струйки натекают на охлаждаемую стенку и растекаются по ней, образуя сплошную пелену. В настоящее время для этой цели широко используются не штампованные, а точеные просп~оепленочноеохпожоенне кольцевые секции, которые от- личаются повышенной прочконвехьлпвно-пленочное постыл и обеспечивают точное дозирование расхода охлаждающего воздуха. К современным методам охОросомельно-пленочное лаждения следует отнести также конвективно-нленочное охлаждение, при котором конвективное охлаждение интенсифицируют, создавая на внешней поверхности жаровой трубы неровности, а на внутренней (горячей) поверхности защитную ~"Ягранспородлонное пелену холодного воздуха 19].

Для высокотемпературных камер сгорания больше подходит Рнс. 1.1О. Типы системы охлаждении жаровых труб 191. оросительная система охлаж- дения, однако она намного сложнее простой конвективно-пленочной системы, и ее применение осложняется рядом трудностей изготовления и ремонта. Наиболее прогрессивным методом охлаждения стенок, который весьма активно разрабатывается в последнее время, является транспирационное охлаждение. В идеальном случае оно позволяет снизить расход охлаждающего воздуха на 50 5. В' такой системе воздух, проходя сквозь пористую стенку жаровой трубы, охлаждает ее, а затем на внутренней ее поверхности образует теплозащитную завесу, отделяющую стенку от горячих продуктов сгорания топлива. На рис. 1.9 видно, что основная тенденция совершенствования камер сгорания Г1Д заключается в повышении температуры, уменьшении длины и применении более эффективных методов охлаждения.

Рис. 1.10 иллюстрирует ход развития систем охлаждения, который вначале привел к разработке жаровых труб с двойными стенками и улучшенной системой конвективного теплоотвода с «холодной» стороны, а очередной целью имеет создание транспирационной системы охлаждения [9). Альтернативой методам повышения эффективности охлаждения является применение теплозашитных покрытий или мате- 35 Стсновнме сведения о намераи сгорания ГТД риалов, которые могут противостоять более высоким температурам.

Теплозащитньге покрытия применяются в ограниченных масштабах в особо напряженных зонах современных камер сго- Рис. 1.11. Ранние нонструкции камер сгорания ГТЛ. а — двигатель маер кеиструкции А. А. микулииаг б — юмо-004; е — ими.ооа; е — «хеа кельХирт». ранна. В качестве возможных высокотемпературных материалов в настоящее время рассматриваются углерод или композитные материалы на основе углерода, керамики, а также сплавы на основе таких высокотемпературных металлов, как ниобий. Методы использования этих материалов находятся на различных этапах развития, однако ни один из них не продвинут настолько, чтобы его можно было внедрить в современных камерах сгорания.

36 Глава ! КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ КАМЕР СГОРАНИЯ Определенное представление о большом разнообразии конструктивных схем камер сгорания, применявшихся в газотурбинных двигателях, дает рис. 1.11. На нем показано несколько Рис. К!2. Ранние конструкции камер сгорания ГТД. о — «Бристоль-Сиддли: б — «Праттоиитаи»; в — «Бристоль-Сиддли» с исоарительвай системой; г — «Ровер» трйай. схем, рассматривавшихся еще при первых попытках создания газотурбинного двигателя. Важность обеспечения хорошего перемешивания была установлена на ранней стадии разработки камер сгорания. Об этом свидетельствует тот факт, что в трех из четырех приведенных схем в зоне разбавления использовались направляющие устройства.

Отношения 1.уР, вообще говоря, Основные сведения о камерак сгорания ГТД Зт были значительно больше, чем это приемлемо в настоящее время, хотя следует отметить, что камера сгорания двигателя «Хейнкель» по этому параметру не сильно отличается от современных.

Характерной особенностью камеры двигателя ЮМО-004 является подача топлива в противоположном по отношению к 3 Рис. !.13. Кольцевая камера сгорания двигагеля СР6-50 (публикуется с разрешения фирмы «Дженерал электрик»). 7 — лнффузар; У вЂ” форсунка; 3 — свеча: 4 — корпус; б — внешвнв абечайка жаровой трубы: б — внутреннак обечайка жаровой трубы; 7 — обтекатель гвозлукозаборннк). Рпс. 1,14. Схема кольцевой камеры сгорания двигателя Р101 (публикуется с разрешения фирмы «Дженерал электрик»). потоку воздуха направлении.

Такой способ подачи топлива применялся и в других двигателях, например в двигателе «Джайрон-Джуниор» фирмы «Бристоль-Сиддли» (рис. 1.12). Основное преимушество противоточной подачи топлива заключается в увеличении времени пребывания его в зоне горения, а суще- Глава 1 38 ственный недостаток — необходимость помещать такой важный узел, как форсунку, в пламенной зоне. Корпус форсунки может быть оборудован системой охлаждения, однако полностью' устранить отложение нагара на торце форсунки не удается. На Рис. 1.15.

Камера сгорания лвигателя ЙВ211 (публикуется с разрешения фир- мы «Роллс-Ройс»К à — пневматическая форсунка: у — внутренний корпус; 3 — спрялэняющий аппарат компрессора: 4 — жаровая труба; 5 — внешний «орлу«: 6 — отверстия зоны разбавления; 7 — отверстия первичной эоны; а — тапннвный каааектор, рис. 1.12 показаны также камера сгорания фирмы «Пратт-Уитни» с восемью кольцевыми жаровыми трубами, в каждой из которых размещается по шесть форсунок, одна из ранних конструкций кольцевой камеры сгорания с испарительными трубками фирмы «Бристоль-Сиддли» и оригинальная по конструкции трубчатая камера сгорания для автомобильного газотурбинного двигателя «Ронер» ТР 90.1, разработанная фирмой «Лукас». 39 Основные сведения о камерах сгорания ГТД На рис. 1.13 — 1.15 схематически представлены три камеры сгорания, конструкции которых соответствуют более современному уровню проектирования.