Тема 11 (Вопросы по Военке и материал по планеру и КД)

ТЕМА №11.

ОСНОВНАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ.

Время - 2 часа.

Цель занятия: Изучение основ организации рабочего процесса, конструкции и особенностей эксплуатации основной камеры сгорания.

Вопросы занятия:

1. Общие сведения о камерах сгорания.

2. Общие представления о процессе горения и организации рабочего процесса в
   основной камере сгорания.

3. Общая характеристика, конструкция и особенности эксплуатации ОКС.

От совершенства организации рабочего процесса в камере сгорания во мно­гом зависит экономичность и надежность ГТД. Поэтому вопросам проектирования, изготовления, и доводки камер сгорания уделяется постоянное внимание.

1. Общие сведения о камерах сгорания

Камера сгорания предназначена для повышения -энергии поступа­ющего в нее воздуха путем сжигания в ней топлива.

К камерам сгорания предъявляются следующие основные требования:

1. Высокая полнота сгорания топлива.

2. Устойчивый процесс горения в широком диапазоне режимов работы двигателя
   и условий полета самолета.

3. Малые потери полного давления.

4. Обеспечение стабильного поля температур на выходе из камеры при заданном
   законе распределения температуры по радиусу.

5. Низкий уровень содержания твердых частиц (сажи) в продуктах сгорания.
   "Дымление" двигателей, приводит к загрязнению атмосферы, нарушению нор­
   мального теплового режима деталей проточной части, а также к демаскирова­
   нию самолета в полете.

6. Надежный запуск на земле и в воздухе. Основные камеры сгорания ТРД долж­
   ны надежно запускаться на высотах 6-10 км., а форсажные - на высотах близких
   к потолку самолета.

Кроме того, к камерам сгорания предъявляются общие требования высокой надежности, большого ресурса, малой массы и габаритов, простоты изготовле­ния, эксплуатационной и ремонтной технологичности.

2. Общие представления о процессе горения и организации рабочего процесса в основной камере сгорания.

Горение - это процесс соединения горючего с окислителем, идущий с выде­лением значительного количества тепла. В ГТД горючим является керосин, окис­лителем - кислород воздуха. Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1кг керосина:

Действительный состав топливовоздушной смеси принято оценивать коэф­фициентом избытка воздуха:

где G_t и G_b секундные расходы топлива и воздуха в двигателе. При а=1 смесь называется стехиометрической, при α<1 - богатой топливом, при α >1 - бедной.

Горение топливовоздушной смеси представляет собой сложный физико-химический процесс, который можно условно разделить на несколько:

• распыл топлива;

• испарение топлива;

• смешение паров топлива с воздухом;

• воспламенение образовавшейся горючей смеси;

• собственно реакция горения

Распыл - процесс дробления жидкого топлива на мелкие капли. В ГТД распыл происходит при впрыскивании топлива через форсунки. Топливо распада­ется на капли под воздействием внешних сил сопротивления среды и внутренних сил, обусловленных турбулентным движением возникающим в самой cтpye при её течении. Чем выше сопротивление внешней среды и внутренние силы, тем мельче распыл топлива.

Испарение - процесс перехода горючего из жидкой фазы в газообразную. Сопровождается поглощением тепла. Скорость испарения определяется температу­рой воздуха, скоростью его движения относительно капли, размером капель, дав­лением насыщенных паров.

Смешение паров топлива с воздухом. Этот процесс происходит путем диффузии и вследствии турбулентного перемешивания частиц. Скорость протека­ния процесса определяется распределением капель в воздушном потоке и интен-

сивностью вихревых течений воздуха.

Воспламенение горючей смеси. При запуске двигателя воспламенение про­исходит от постороннего источника пламени. В последующем свежая смесь вос­пламеняется от факела пламени, существующего в камерах сгорания. Область ус­тойчивого воспламенения и горения однородных топливовоздушных смесей нахо­дится в пределах от α_мин= 0,5...0,6 до α_макс =1,5... 1,7.

Собственно реакция горения сопровождается выделением большого количе­ства тепла и образованием видимого пламени. Надежное воспламенение и горение происходит с α ≈ 1. При этом температура в зоне горения достигает 2600 К. Ско­рость распространения пламени в основном зависит от характера течения газа. Так для обеспечения устойчивого горения в камере сгорания необходимо, чтобы в зоне горения α≈1, а скорость потока не превышала 30-40 м/с.

При этом возникает три противоречия:

• между реальной скоростью потока на выходе из компрессора (для двигателя
  РД-33 она составляет 130-150 м/с) и потребной для устойчивого горения- 30-40
  м/с;

• между температурой в зоне горения (2600 К) и максимально допустимой, по
  условиям прочности, температурой газа перед турбиной (для РД-33 => Т_г=1527
  К);

> между α_Σ достигающим для современных камер сгорания значений порядка 3-5 и потребным α≈1.

Для преодоления этих противоречий организация процесса горения включает следующие мероприятия:

во-первых, поток на входе в камеру сгорания проходит через диффузор, где его скорость уменьшается примерно в два раза; во-вторых, поток делится на две части:

• первичный поток (30-35%);

• вторичный поток (65-70%).

Первичный поток непосредственно направляется в зону горения, где обеспечивается α≈1 и Т_г=2600 К.

в-третьих, для снижения скорости первичного потока, он подается в зону горения через лопаточный завихритель. В результате возникает зона обратных потоков, которая обеспечивает:

• снижение средней скорости потока в жаровой трубе;

• возвращение назад раскаленных продуктов сгорания, что позволяет поджигать
  новые порции смеси:

♦ турбулизирует поток и тем самым увеличивает скорость горения.

в-четвертых, вторичный поток входит в жаровую трубу через специальные отверстия, что обеспечивает: о завершение процесса горения за счет внесения новых порций окислителя в зону

горения (увеличивая полноту сгорания); а уменьшение температуры продуктов сгорания;

□ турбулизацию потока, т.к. более холодные, а следовательно, более плотные

струи являются турбулизатором потока;

□ нужный профиль температуры на выходе из камеры сгорания;

□ охлаждение стенок жаровой трубы.

3. Общая характеристика, конструкция и особенности эксплуа­тации ОКС.

3.1 Общая характеристика камеры сгорания

Камера сгорания (КС) - кольцевая, прямоточная. В КС использовано завих-рительное фронтовое устройство с хорошо развитой зоной циркуляции.

Топливо в КС подается через 24 центробежные двухконтурные, двухсопло-вые форсунки, соединенные между собой двумя рядами трубок, закрытых тепло­защитными кожухами для уменьшения нагрева топлива в коллекторах. Для обеспе­чения надежного переброса пламени, улучшения условий розжига и повышения ус­тойчивости горения выбран малый шаг между форсунками, умеренные скорости газа в жаровой трубе (W_ж = V_к/F_ж =21 м/с где V_K - объемный расход воздуха; F_ж -площадь поперечного сечения жаровой трубы) и малые относительные расходы воздуха через фронтовое устройство (около 12 %).

Чтобы обеспечить хороший распыл топлива и при этом избежать переобога­щения смеси в камере при запуске с режимов авторотации, соотношение расходов топлива через первый и второй контуры форсунок составляет 1 : 20 (при одинако­вом давлении подачи в обоих контурах).

Воспламенение топливовоздушной смеси в КС производится двумя свечами поверхностного (кумулятивного) разряда СП-51П, установленными против форсу­нок и обеспечивающими надежный запуск двигателя без кислородной подпитки до высоты Н=6000 м. При подаче кислорода обеспечивается запуск камеры во всем заданном диапазоне высот полета.

Применение системы непосредственного запуска от запальной свечи имеет следующие преимущества по сравнению с пусковыми воспламенителями:

повышенную надежность и боевую живучесть из-за меньшего числа элемен­тов, входящих в систему, и отсутствия трубопроводов и агрегатов с пусковым топ­ливом;

• меньший вес и габариты;

• меньшая инерционность запуска на больших высотах в условиях отрица­
  тельных температур;

отсутствие зоны повышенных температур в местах установки пусковых све­чей.

Основные газодинамические (Н =0, М = 0, режим "М") и конструктивные параметры КС:

3.2 Конструкция камеры сгорания

КС состоит из корпуса, жаровой трубы и топливного коллектора с форсунка­ми.

Корпус КС (рис. 3*) - сварной, из жаропрочной стали, является силовым уз­лом двигателя, воспринимающим силы и моменты, возникающие при работе дви­гателя. Корпус состоит из литого диффузора 2, наружной 10 и внутренней 21 обе­чаек, наружного 15 и внутреннего 19 фланцев. К внутренней обечайке приварены четыре кольцевых профилированных ребра жесткости 20. Диффузор выполнен с фиксированным отрывом потока. В нем имеются двадцать четыре полые стойки 1, через которые пропускается воздух из залабиринтной полости компрессора в на­ружный контур.

В передней части наружного корпуса камеры имеются фланцы для установки антипомпажного датчика, гребенок полного давления и термопар, замеряющих па­раметры воздуха на выходе из компрессора, элементов крепления топливного кол­лектора 4 и втулок свечей, а также штуцер замера давления в залабиринтной полос­ти компрессора.

В средней части корпуса КС расположены лючки для осмотра жаровой тру­бы, форсунок, свечей зажигания и элементов турбины. Здесь же находится штуцер 11 форсунки розжига форсажной камеры, а внизу - дренажный штуцер 24,через ко­торый при ложных запусках несгоревшее топливо сливается в форсажную камеру.

В задней части корпуса вварен штуцер отбора воздуха в систему управления двигателя, в нижней - штуцер отбора воздуха на противообледенительную систему вентилятора и штуцер замера давления воздуха за компрессором. В этом же поясе расположены два фланца 13 для отбора воздуха на наддув уплотнений и кондицио­нирование.

Элементы крепления и цилиндрическая часть корпусов свечей охлаждаются воздухом из-за компрессора. Торцевая часть свечи охлаждается воздухом, прохо­дящим через лопаточный завихритель КС.

Жаровая труба (рис. 3*) - кольцевая, выполнена из жаростойкого сплава и состоит из фронтового устройства, трех наружных (8, 9, 12) и трех внутренних (17,