Камеры сгорания газотурбинных двигателей Пчёлкин Ю.М. (1014167), страница 19
Текст из файла (страница 19)
5. Быстрый надежный пуск и устойчивая раоота камеры сгорания на различных режимах, что особенно важно для авиационных ГТД. Камера сгорания ГТД должна отвечать этим требованиям при пониженных температуре и давлении на обедненной смеси с суммарным коэффициентом избытка воздуха яв - - 50-: 100 (вместо обычного значения я, -- 3 —:5). 6. Большая долговечность конструкции, удобство и безопасность эксплуатации камеры. Прн длительном сроке службы очень важно, чтобы обслуживание, монтаж и разборка ее элементов были просты и не требовали больших затрат времени.
7. Отсутствие нагара, дымления и токсичных веществ в продуктах сгорания. Нагар нарушает нормальный режим работы деталей камеры и проточной части турбины, регснератора. Дым и токсичные 74 вещества (в том числе канцерогенные) загрязняют окружающую среду. Эти важнейшие требования в каждом конкретном случае всегда дополняются рядом специфических.
Так, например, для стационарных ГТУ очень большое значение имеет стоимость конструкционных материалов и изготовления камеры; возможность работы ее одновременно или попеременно на нескольких видах топлива !газообразном, жидком легком или тяжелом) и др. Основные принципы организации рабочего процесса камер сгорания. Совершенствование и перспективы развития ГТД связаны с повышением параметров газа, ростом теплонапря;кенности камер сгорания, улучшением их аэродинамики и снижением токсичности. Форсирование, улучшение рабочих характеристик и конструкций камер сгорания требуют развития основных положений, определяющих их рабочий процесс.
В результате обобщения экспериментальных данных и использования основ теории горения были определены следующие осношпле принципы организации рабочего процесса, констр!ирования и расчета камер сгорания. !. Разделение рабочего объема камеры сгорания на две зоны— горения и смешения.
В настоящее время средняя температура газов перед турбиной Т„== !050 —:!220 К 1в авиационных ГТД еще выше), она ограничена жаропрочпостью н жаростойкостью материалов деталей ее проточной части. В стационарных и транспортных ГТУ величина Т„несколько ниже, поэтому несколько выше общее значение коэффициента избытка воздуха ах ==- 4-: 5. Коэффициент ах еще больше при высокой степени повь~шения давления и наличии регенерации.
Температура воздуха на входе в камеру сгорания в зависимости от давления за компрессором, его КПД, наличия регенератора в цикле ГТД может быть различной, но обычно она составляет 520 — 675 К. Нп одно топливо при таких температурах и значениях ах в потоке, движущемся с большой скоростью, гореть — тем более быстро и качественно — не может. В пространстве, ограниченном корпусом ! камеры сгорания, жаровой трубой 2 выделяют объем зон горения 1 и смешения 11 !рис. 28).
В переднюю часть объема жаровой трубы !зону горения) направляют первичный воздух 6, — такую часть общего расхода воздуха 6„, которая обеспечивает образование высокореакционной смеси, быстро сгорающей при достаточно высокой средней температуре процесса. В зону горения 1 в поток первичного воздуха 6г форсункой 5 подается топливо 6,. Оставшаяся часть воздуха 6м— вторичный воздух, — минуя зону горения со скоростью ш,, через специальные отверстия поступает в зону смешения 11 жаровой трубы.
Перемешиваясь с продуктами сгорания, выходящими из зоны горения 1, и охлаждая их, он обеспечивает заданную температуру газа на выходе из камеры сгорания. 2. Постепенный !ступенчатый) подвод первичного воздуха по длине зоны горения. При одновременной полной !практически спутной) подаче воздуха 6, и топлива 6, процесс их перемешивания удлиняется во времени, Горение первых образовавшихся у фронтового 75 Рис.
28. Схема камеры сгорания устройства объемов горючей смеси происходило бы в окружении большого количества холодного воздуха медленно и не полно. В этом случае затрудняются прогрев'и начало горения объемов смеси в процессе дальнейшего смешения с воздухом. Для жидкого или твердого топлива постепенный рассредоточенный подвод первичного воздуха в зону горения еще более необходим. Так, например, капля жидкого топлива перед сгоранием должна прогреться и испариться.
Для горения быстро испаряющихся самых мелких капель в самом начале зоны горения требуется небольшое количество первичного воздуха бг, который целесообразно подавать у усгья форсунки 5 через фронтовое устройство 3, обеспечивая необходимую для химической реакции температуру в этой зоне. При ступенчатом подводе боковых струй первичного воздуха обеспечивается догорание мелких и горение испаряющихся средних и крупных капель также в оптимальных температурных условиях, Кроме того, дополнительно турбулизируется общий поток, интенсифицнруется процесс перемешивания н горения в целом.
Для полного выгорання топлива в идеальном случае в зону горения следует подать вполне определенное количество воздуха. Как уже отмечалось, избыток воздуха нужен для облегчения и гарантирования смесеобразования, предупреждения химического недожога топлива и снижения уровня диссоциации, высокого при повышенных температурах процесса. Оптимальное распределение подачи первичного воздуха по длине зоны горения может быть окончательно установлено только при экспериментальной доводке камеры на стенде.
76 !(ри проектировании на основе теоре>пчсскпх представлений о процессе горения и накопленного опыта задаются определенной закономерностью распределения воздуха, часто как показано на рнс. 28 штриховой линией. Расход первичного воздуха в зоне горения 6ь а следовательно, коэффициент его избытка м, ==. я„=- =- 6ъ'(6„7-<) зависят от тина камеры сгорания, вида топлива и организации рабочего процесса. Средняя температура газов в зоне горения должна быть равна примерно 2000 — 2!70 К.
3. Обеспечение турбулизации потока в зоне горения. В результате интенсифицируются процессы тепло- и массообмена, улучшается смесеобразованне и возрастает скорость распространения пламени. Турбулизация потока достигается установкой во фронтовоч устройстве 3 передней торцовой части жаровой трубы 2 лопаточного завихрнтеля 4 воздуха (регистра), плохо обтекаемого тела, перфорированной пластины и др., а также организацией радиального течения струй воздуха, выходящих через отверстия в стенках по длине жаровой трубы. 4.
Обеспечение стабилизации фронта пламени в зоне горения. Поскольку значительные форсировки рабочего объема камер сгорания определяют средние скорости движения потока намного больше, чем турбулентная скорость и, распространения фронта пламени, для удержания факела в определенной области передней части зоны горения необходимо проведение специальных мероприятий. Для стабилизации фронта пламени используют лопаточные завпхрители илн плохообтекаемые тела, располагаемые во фронтовом устройстве жаровой трубы. Устанавливающаяся за ними зона обратных токов (ЗОТ) с пониженным статическим давлением на оси камеры, которое обусловлено эжекцией газа кольцевой струей, вытекающей из лопаточного завихрителя в расширяющийся канал, и центробежным эффектом, стабилизирует положение фронта пламени, обеспечивающего зажигание всей топливовоздушной смеси. Схема полей осевых скоростей ш.
в различных сечениях по длине жаровой трубы в зоне горения (без учета воздействия боковых струй воздуха), лана на рис. 29. Радиальные и тангенциальные скорости зависят от конструкции фронтового устройства и параметров потока, например, при использовании лопаточного завихрителя от угла ч> наклона лопаток по отношению к оси камеры. Обычно Ч> =- 45 †; 65 в зависимости от конструкции фронтового устройства. Прн больших углах ч> эффективность лопаточного завихрителя снижается вследствие возрастания потерь давления.
5. Оптимальное распределение концентраций 4 топлива по сечениям зоны горения (рис. 30, а). Целесообразно, например, подавать полый конус 3 топлива в области потока, прнмьпсающие снаружи к зоне обратных токов, где градиент осевых скоростей ш„ потока максимален, что обеспечивает хорошее смешение топлива с воздухом. При такой схеме смесеобразования попадание топлива на стенку жаровой трубы и внутрь зоны обратных токов надо нсключагь. З о ."г т г'- т ' ы, Рнс.
2и. Слсив |соснин гязси в зоне гоосоня: т — бторсуикв; 2 . каи>с то осино;  — отиерстия, 4 - возиодиня наив отрывв иотокв;  — грвииии воин обрнтиыл т~ кон; в' — обе ~ояко и нравов труби, 7 — кариус;  — щсло длн аслввд..ющс~а щ дуы 6. Охлаждение основных деталей камеры сгорания, поступающим в камеру воздухом, а иногда топливом. Больше всего нагревается жаровая труба с фронтовым устройством и форс>нкой. Форсунка охлаждается следующим образом: во-первых, подаваемым ею топливом, а иногда его дополнительным количеством, перепускаемым обратно в бак; во вторых, потоком воздуха 10, который (рис. ЗО, б) проходит между корпусом форсунки 2 и стаканом 8, расположенным в центре лопаточного завнхрителя 9.
Одновременно предупреждается коксование топлива при выходе его из сопла на торце фоосунки 7, Фронтовое устройство и жаровая труба 1 охлаждаются омывающим пх снаружи воздухом и воздухом, который проходит внутрь жаровой трубы через ряды мелких отверстий 11 и кольцевые щели 5, расположенные несколькими поясами по длине жаровой гй а! Рнс. 30. Изчененне нонцентрвнии топлива но се ~синяк~ зоны говения 78 трубы. Сплошные кольцевые щели более эффек~ивны при охлаждении, чем отверстия, они защищают заградительной пеленой воздуха внутреннюю поверхность стенки, однако расход воздуха через них очень большой. В результате чего увеличивается а„ снижается температура в зоне горения и часть воздуха практически не участвует в окислении горючих элементов топлива, не поступающего к стенке жаровой трубы.
Уменьшение расхода воздуха через кольцевую щель достигается установкой в ней перегородки с отверстиями. Щель делают более широкой, чтобы (толщиной пелены) компенсировать уменьшение расхода (скорости) охлаждающего воздуха. Как показали результаты опыта, толщина кольцевого слоя воздуха и определяет длину эффективного охлаждения ).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
