Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А., страница 9

Поэтому попытки уменьшить габариты и вес системы зажигания могут привести к усложнению конструкции, снижению надежности и ресурса. Таким образом, в отношении улучшения надежности электрических свечей, снижения потребной энергии и миниатюризации оборудования перед конструкторами ймеется широкое поле деятельности. В' малоразмерных кольцевых камерах сгорания возникают трудности и с охлаждением стенок жаровых труб, что обусловлено относительно большой площадью поверхности, которую необходимо охлаждать [13].

Эта проблема осложняется невысокими скоростями воздуха в кольцевых каналах и, следовательно, малыми интенсивностями внешнего конвективного теплосъема со стенок жаровой трубы, связанными с применением центробежных компрессоров. Несмотря на широкое использование оросительного охлаждения, в малоразмерных двигателях применяются также дорогостоящие высокотемпературные сплавы и наблюдается тенденция к увеличению толщины стенок жаровых труб. Существует потребность в разработке новых методов охлаждения, обеспечивающих снижение до минимума расхода воздуха на единицу поверхности жаровой трубы.

Для малоразмерных двигателей идеальной была бы транспирационная система охлаждения. До настоящего времени не разработано достаточно удовлетворительного метода впрыскивания топлива в кольцевые камеры сгорания малых размеров. Суть проблемы заключается в том, что требования к высокой полноте сгорания топлива, низкому уровню выбросов вредных веществ и хорошей равномерности поля температуры газа диктуют применение большого Основные сведения о намерен сгорания Гтд числа топливных форсунок. Однако чем больше форсунок, тем меньше их размеры; опыт же показал, что центробежные форсунки малых размеров подвержены эрозии и засорению. В испарительных системах могут быть использованы каналы больших размеров, вследствие чего влияние перепада давления для подачи топлива менее существенно, однако в этом случае серьезным недостатком становится необходимость в применении факельного зажигания.

В настоящее время, вероятно, наиболее эффективное решение задачи впрыска применительно к малоразмерным ГТД дает вращающаяся форсунка фирмы «Тюрбомека», показанная схематически на рис. 10.26. Форсунки такого типа применяются с большим успехом на двигателях с малой степенью повышения давления, однако проблемы, связанные с утечками газа через зазоры у вала двигателя и охлаждением стенок, могут оказаться серьезным препятствием для их использования в двигателях с высокой степенью повышения давления. Другое новое устройство для впрыска топлива, разработанное фирмой «Солар», представляет собой одну из разновидностей пневматической форсунки; она устанавливается на внешней стенке жаровой трубы и впрыскивает топливо в зону горения в тангенциальном направлении.

Сообщается, что эта форсунка обеспечивает хорошее распыливание топлива даже на пусковом режиме. Усовершенствование конструкции компрессоров и охлаждаемых воздухом турбин, несомненно, позволит увеличить степень повышения давления и температуру газа перед турбиной. Понадобятся дальнейшие исследования методов пленочного и транспирационного охлаждения, улучшенных способов подготовки и распределения топлива, систем зажигания и новых материалов, включая керамику. Несомненно, что кольцевые камеры сгорания малых размеров являются интереснейшим объектом исследований и проектирования. КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК Многочисленные и разнообразные авиационные газотурбинные двигатели используют весьма ограниченный ассортимент близких по своему составу топлив, причем режимы их работы регламентируются приблизительно одними и теми же требованиями 1!4~.

Этим объясняется, почему камеры сгорания большинства авиационных ГТД весьма сходны между собой. Нужно также отметить, что вследствие важности, придаваемой гражданской и военной авиации, значительные средства и время были затрачены на детальное изучение процессов горения в специфических условиях авиационных двигателей. Глава 1 46 В то же время от стационарных газотурбинных двигателей требуется, чтобы они работали на жидких и газообразных топливах самых различных сортов. Процессы горения в этих двигателях исследовались мало, так что конструкторы стационарных двигателей располагают значительно меньшей информацией для проектирования камер, чем конструкторы авиационных двигателей. Следует иметь в виду, однако, что камеры стационарных Рис. К20, Стаинонарннн Гтд с отаельной трубчатой камерой П51. двигателей значительно проще по конструкции, так как к ним не предъявляется требований, связанных с запуском и горением при низких (субатмосферных) давлениях.

Большинство стационарных газотурбинных установок может быть отнесено к одной из двух категорий: 1. Системы, представляющие собой, по существу, «стационп. рованные» авиадвигатели или двигатели, близкие им по конструкции. В них, как правило, используются газообразные топлива илн легкие и промежуточные дистилляты жидких топлив. 2. Системы, спроектированные для сжигания газообразных топлив, тяжелых дистиллятов и мазутов и существенно отличающиеся по конструкции от авиационных камер сгорания ГТД. Основные сведения е иемерви сгорания ГТД 47 Приведенные ниже данные относятся исключительно к этому последнему типу камер. Многие фирмы, выпускающие стационарные двигатели, отдают предпочтение крупногабаритным одиночным камерам сгорания, расположенным вне двигателя, как это показано на рис.

1.20. При таком расположении проектирование камеры может быть полностью подчинено требованиям, связанным с обеспечением наивысшей полноты сгорания топлива. В' этом случае облегчается также проблема обеспечения прочности внешнего корпуса установки, подвергающегося воздействию вы- 4 сокого давления газа 116]. Важным преимуществом такой конструкции является ее доступность для осмотра, обслуживания и ремонта, что может производиться без демонтажа крупных узлов корпуса. Используются два основных конструктивных типа жаро- ) вых труб стационарных газо- О С турбинных установок: 1. Цельнометаллическая конструкция жаровой трубы, которая изготавливается из высококачественных сплавов и снабжается системой конвективного и пленочного охлаждения.

К такому типу относится камера сгорания фирмы «Браун-Бовери», изображенная на рис. 1.21. и - — -аг 2. Жаровая труба из простой углеродистой стали, обли- рис ~ ~~ К~мера сгорания еганио- нарного ГТД фирмы «Браун-Бовери» цованная изнутри жароупор- 114р1 ным кирпичом. Для такой жаРовой трубы требуется меньше охлаждающего воздуха, чем для цельнометаллической.

Для впрыска жидких топлив часто применяют форсунки с пеРепуском. Обычно предпочтение отдается конструкции с большим числом форсунок, так как при этом уменьшается длина зоны пламени и достигается хорошая равномерность поля температуры газа, поступающего в зону разбавления. В этом случае одни и те же форсунки могут быть использованы в двигателях Различной мощности; изменяться будет лишь число форсунок. гпааа ° ТОПЛИВА По мере возрастания стоимости топлива и снижения его доступности все больший интерес проявляется к возможности получения углеводородных топлив не нефтяного происхождения.

В качестве такой альтернативы рассматриваются жидкие водород и метан, однако их применение в авиации может быть оправданно, по-видимому, лишь для больших самолетов [7]. Наиболее вероятным сырьем для производства углеводородных топлив в будущем станут каменный уголь, горючий сланец и нефтеносные пески. Ожидается, что топлива, полученные из этого сырья, будут отличаться пониженным содержанием водорода. Временной мерой увеличения объема возможных поставок топлива для авиационных двигателей может быть изменение существующих технических условий в направлении расширения допустимого фракционного состава топлив. Это позволит использовать топлива с меньшим содержанием водорода и повышенным содержанием ароматических соединений.

Оба этих фактора увеличивают склонность топлив к сажеобразованию. Таким образом, все проблемы, связанные с ростом сажеобразования, — отложение нагара на форсунках, повышенная интенсивность излучения пламени на стенки жаровой трубы, эрозия сопловых и рабочих лопаток турбины, дымление двигателя— приобретут в будущих камерах сгорания ГТЛ даже большее значение, чем в настоящее время. Элементы теории горения ВВЕДЕНИЕ Предмет горения охватывает широкий спектр процессов и явлений. Даже краткая сводка огромного количества материалов, опубликованных по вопросам теории и практики горения, вышла бы далеко за пределы целей, намеченных для данной главы. Вместо этого основное внимание будет сосредоточено на нескольких ключевых аспектах горения, важных для анализа процесса в камерах газотурбинных двигателей, но не рассматриваемых в остальных главах книги.

Вероятно, наиболее просто охарактеризовать го ение как экзоте мнческ ю ю между топливом и окислителем, ! ри- менительно к газовым турбинам и газотурбинным двигателям топливо может быть газообразным или жидким, но окислителем во всех случаях является воздух. Горение происходит в различных формах, не все из которых сопровождаются пламенем или свечением. Можно выделить следующие режимы горения 11~. Предпламенное горение Предпламенное горение в это медленный процесс, для завершения которого на 80 % в нормальных условиях требуется от 1 до 100 с.