Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А., страница 8

Это камеры сгорания двигателей СР6-50 и Р101 фирмы «Дженерал электрик» и КВ 211 фирмы «Роллс-Ройс». Во всех указанных камерах используется принцип пневматического распыливания топлива, Интересной особенностью камеры сгорания двигателя КВ 211 является отсутствие в ней завихрителей воз- Г духа. Зона обратных токов, необходимая для стабилизации пламени, образуется в результате взаимодействия струй вторичного воздуха и потока воздуха, который подается из шелей фронтового устройства вдоль стенок жаровой трубы.

КОРОТКИЕ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ Установление количественных взаимосвязей между размерами камер сгорания, потерями давления, полнотой сгоо рания топлива и такими рабочими параметрами, как давление, температура и скорость потока, позволяет в настоящее время конструктору создавать камеры сгорания, удовлетворяющие специфическим требованиям к их характеристикам. Некоторые возможные варианты, отличающиеся от традив ционной схемы камеры сгора- Рис. 1.16. Варианты конструкции копия, показаны на рис 1,16, На розкой кольцевой камеры сгорания. верхней схеме показана двухъ- о — диухвивусваи: и — сохиостопоииим подводом воздуха; в — с системой вихревых гоярусная камера сгорания, в ко- и .

и (моду ик торой используются две концентрично расположенные жаровые трубы, каждая из которых имеет обычное значение отношения ь/су. Очевидным преимушеством такой схемы является возможность уменьшить приблизительно на 30 о1е длину камеры. К числу недостатков не в последнюю очередь следует отнести необходимость в четырехкратном увеличении числа топливных форсунок. Уменьшение длины возможно также при использовании камеры сгорания с односторонним подводом воздуха 1за счет диффузора), которая ао Глава 1 изображена на рис. 1.16.

Ее достоинством является слабая зависимость распределения воздуха от изменения поля скорости на входе. Близкую к изображенной схему с односторонним подводом воздуха и пневматическими форсунками имеет камера сгорания подъемного двигателя кВ 162 фирмы «Роллс-Ройс» [1О[. На рис. 1.16, в представлена интересная схема, разработанная в ХАЯЛ [11[, В этой камере используется 120 отдельных вихревых горелок — модулей, расположенных равномерно по трем концентричным окружностям. В такой камере сгорания не существует сколько-нибудь определенных границ между первичной и вторичной зонами, как это имеет место в камерах тра.

диционного типа, поскольку почти весь воздух (за исключением той его части, которая затрачивается на охлаждение стенок) проходит через модули илн вокруг них. Возможность существенного уменьшения длины камеры связана с быстрым перемешиванием и сгоранием горячей смеси за каждым из модулей. КАМЕРЫ СГОРАНИЯ С НИЗКИМ УРОВНЕМ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ Камера сгорания, изображенная на рис. 1.16, в, является примером необычной и остроумной конструкции. Еше более значительные конструктивные изменения могут потребоваться для того, чтобы удовлетворить вводимым ныне весьма жестким ограничениям на выбросы вредных веществ.

Основной проблемой разработки камер сгорания было и остается получение хороших пусковых характеристик, широкого диапазона устойчивого горения, высокой полноты сгорания, минимального сажеобразования, что должно быть обеспечено ограниченной по объему зоной горения, в одно из мест которой впрыскивается топливо. Поскольку некоторые из перечисленных требований противоречивы, получаемые характеристики неизбежно являются результатом того или иного компромисса.

В последнее время эта ситуация осложняется требованиями снижения выбросов вредных веществ; однако снижение выбросов окиси углерода и несгоревших углеводородов достигается ценой увеличения дымности и содержания окислов азота в выхлопных газах.

С учетом вышесказанного становится очевидной настоятельная необходимость в радикальных изменениях конструкции камеры сгорания, Один из возможных подходов заключается в использовании в той нлн иной форме «изменяемой геометрии», т. е. регулирования проходных сечений и, следовательно, количества воздуха, поступающего в первичную зону горения. При высоких давлениях для снижения до минимума образования дыма и окислов азота воздух подается в больших количествах.

При низких давлениях первичный воздух дросселируется, вследствие чего повышается величина отношения топливо/воздух и уменьшается ско- 41 Основные сведения о каморки сгорания Гтд рость воздушного потока в первичной зоне. При этом возрастает полнота сгорания топлива (а также уменьшаются выбросы окиси углерода и несгоревших углеводородов) на режиме малого газа и улучшаются характеристики запуска. Другой подход связан с использованием двух отдельных зон горения, каждая из которых оптимизируется для работы соответственно на режимах малой и большой мотцности.

Типичная Рис. 1.17. Камера сгорания типа «Ворбикс» (публикуется с разрешения фирмы «Пратт-Уитни»). à — дежурное топливо; У вЂ” дежурная труаявтая зона горения; 5 — воздушние завихрнтелн; Л вЂ основн вол»левая зона горения; 5 †основн топливо. двухзонная камера сгорания должна иметь слабо форсированную первичную зону горения, которая при коэффициенте избытка топлива гр — 0,8 обеспечивала бы высокую полноту сгорания топлива и низкий уровень выбросов окиси углерода и несгоревших углеводородов. Такая первичная зона должна обеспечивать повышение температуры газа, достаточное для режимов малой мощности, и служить источником горячего газа для расположенной вниз по потоку основной зоны горения, в которую можно было бы подавать полностью перемешанную смесь топлива с воздухом.

При работе на полной мощности топливо должно подаваться в обе зоны, причем величина гр в них должна поддерживаться на достаточно низком уровне, близком к 0,6, обеспечивающем снижение до минимума выброса окислов азота н дыма. На рис. 1.17 в схематическом виде показана двухступенчатая камера сгорания типа «Ворбикс», сконструированная фирмой «Пратт-Уитни» по контракту с 1чАЬА. Первая ступень представляет собой традиционную конструкцию кольцевой камеры сгорания с 30 завихрителями и центробежными форсунками, подающими топливо в зону горения.

В основную зону горения камеры воздух, необходимый для полного сгорания при ма- 42 Глава 1 лом значении ф, подается через 60 вихревых горелок, расположенных по обе стороны жаровой трубы. Высокий уровень турбулентности, генерируемой этими вихревыми горелкамн, обеспечивает интенсивное перемешивание топлива с горячими продуктами сгорания, поступающими из первичной зоны, и быстрое завершение процесса горения.

На рис. 1.18 приведен эскиз двухзонной двухъярусной кольцевой камеры сгорания, разработанной фирмой «Дженерал 7 Рис. 1.18. Кольцевая двухступенчатая камера сгорания [121. à †дежурн топливо; у †основн топлена; 3 †кан для предварительного смешения. электрик» также для ХАБА. Эта камера сгорания имеет две кольцевые зоны горения. Внешняя зона — ступень малого газа — предназначена для работы при условиях, характерных для режима малого газа.

Эта ступень служит одновременно дежурной зоной горения для внутренней основной зоны, которая используется на всех других режимах работы двигателя [121. Однако наибольшими потенциальными возможностями в отношении снижения уровня выброса окислов азота обладает, повидимому, так называемая каталитическая камера сгорания. В такой камере топливо предварительно испаряется и перемешивается с воздухом, образуя омогснную смесь с малым коэффициентом избытка топлива ф. Эта смесь затем поступает в проточный каталитический реактор (каталитическую решетку).

В' присутствии катализатора процесс горения может протекать в очень бедных смесях, которые в нормальных условиях не воспламеняются. В связи с этим реакция протекает при очень низкой температуре, чем и обусловлен низкий уровень образования окислов азота. Варьируя тремя параметрами в расходом воздуха через каталитический реактор, длиной и потерями давления,— можно спроектировать камеру сгорания, отвечающую заданным требованиям. Однако, прежде чем такого рода си- 43 Основные сведения е камерам сгераккя ГТД стема найдет практическое применение, необходимо решить ряд серьезных проблем, к которым относятся: высокая начальная стоимость, отравление и эрозия катализатора, большие гидравлические потери и трудности поддержания заданного температурного режима в каталитическом реакторе.

КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ДЛЯ МАЛОРАЗМЕРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В малоразмерных двигателях вследствие высокой частоты вращения вала и проблем, связанных с его колебаниями, расстояние между компрессором и турбиной должно быть минимальным. Это требование, а также необходимость уменьшения лобовой площади привели к 2 з почти повсеместному использо- l ванию противоточных кольцевых или кольцевых радиально- осевых камер сгорания. В качестве исключения следует отметить двигатель «Аллисон» Т63 с трубчатой камерой сгорания, расположенной в концевой ча- 5 сти двигателя.

При таком расположении облегчаются осмотр и о сл живанне камеры. Рнс. 1.19. Кольцевая протнвоточная Противоточная кольцевая,„,р,,„'прап„я камера изображена на рис. г — вход воадуха; 2 — ннашнна хорнуо:3 — жа- 9 К осноэнЫм ПРЕНМущс- ро'ан ~руры ' а — тонлнвнвн ф~р~ужа Б — сонловоа аноарат турбины. ствам такой камеры сгорания г омимо возможности применения очень короткого вала относятся также высокая эффективность использования отведенного для камеры пространства и удобство обслуживания, обусловленное свободным доступом к форсункам.

Основной недостаток противоточных камер сгорания связан с большой величиной отношения поверхности жаровой трубы к ее объему, вследствие чего возникают трудности с ее охлаждением. В противоточных кольцевых камерах сгорания воздух, втекаюшпй в зону горения через отверстия во внешней и внутРенней стенках жаровой трубы, приходится подводить к этим стенкам с противоположных сторон.

Тем не менее, как это видно нз рпс. 1.19, потери полного давления во внутреннем кольцевом канале больше 1из-за большей его длины), чем во внешнем. Вследствие этого практически невозможно сбалансировать воздушные струи, втекающие через отверстия во внешней и внутренней стенках жаровой трубы, в отношении начального угла наклона, глубины проникновения н количества движения. По- 44 Глава 1 этому вместо обычного для первичной зоны течения с парой вихрей часто применяют односторонний подвод воздуха, в результате чего возникает одиночный вихрь, обеспечивающий циркуляционное течение в первичной зоне. В создании такого рода циркуляционного течения принимают участие как воздушные струи, так и поток воздуха, вводимого вдоль стенки жаровой трубы. Этот воздух вначале служит в качестве защитной охлаждающей пелены, а затем, поступая в первичную зону, принимает участие в процессе горения.

Основные проблемы разработки камер малоразмерных двигателей связаны с' системой зажигания, охлаждением стенок и подачей топлива. Размеры и вес системы зажигания всегда привлекают внимание конструктора, так как их труднее оптимизировать по сравнению с габаритами и весом двигателей в целом. Проблема эта осложняется еще и тем обстоятельством, что в малоразмерных двигателях система зажигания по объему и весу составляет большую долю, чем в крупных двигателях. К сожалению, обычно условия эксплуатации малоразмерных двигателей таковы, что они требуют большего числа запусков, чем крупные двигатели.