Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей под ред. Хронина Д. В. (1014169), страница 75
Текст из файла (страница 75)
Наружная и внутренняя стенки жаровой трубы '!2 и 13 выполнены секционными для обеспечения воздушного охлаждения. Через отверстия в стенках секций осуществляется подвод воздуха внутрь жаровой трубы. Подвеска жаровой трубы к наружной стенке диффузора осуществляется с помощью кронштейнов 5. Для розжига камеры сгорания используются пусковые воспламенители 10. Рассмотрим некоторые конструктивные решения основных узлов и элементов камер сгорания ГТД. Диффузоры. В камерах сгорания для снижения скорости воздуха на входе в жаровую трубу и преобразования части кинетической энергии потока в прирост статического давления используются диффузоры. Они должны обеспечить дозированное распределение подачи воздуха по каналам при минимальных потерях давления и нечувствительность течения воздуха к изменению профилей скорости и положения головки жаровой трубы из-за возможных отклонений при работе двигателя на основных характеристиках камеры сгорания.
На рис. 8.8 приведены схемы диффузоров камер сгорания ГТД. Наименьшие потери полного напора и наиболее равномерное поле скоростей на выходе обеспечивают безотрывные диффузоры с профилированным изоградиентным изменением площади проходного сечения (рис. 8,8, а). Эти диффузоры, однако, имеют достаточно большую длину. Наибольшее распространение получили диффузоры с короткой безотрывиой частью и регламентированным срывом потока при внезапном расширении на уступах внутренней и наружной стенок (рис.
8.8, б). В таких диффузорах обеспечивается стабильность течения воздушного потока при изменении режимов работы компрессора, а потери давления незначительно увеличиваются в сравнении с длинным безотрывным диффузором. В конструкциях диффузоров используют схемы с кольцевым конусным разделителем потока, соединенным с головной частью жаровой трубы (см.
рис, 8.8, б), а также с разделителем потоков за компрессором и внезапным расширением (см. рис. 8.8, г). Размещение силовых стоек, обтекателей, трубопроводов и других элементов конструкций в диффузоре камеры сгорания приводит к повышению потерь давления и неравномерности полей 400 Рис. 8.8, Днффуаоры камер сгорания; а — беэотрыаиый; б — с короткой беэотрывной частью н регламентированным срывом потока па внутревней и наружной стенкэмг э — с кольпевмм «онусным раэделнтелем потока; г — с раэделнтелем потока воэдукэ эа компрессором н виеэапным расширением скоростей перед жаровыми трубами, что приводит к повышенной неравномерности поля температуры газа на входе в турбину.
Поэтому при конструировании диффузоров, в случае невозможности исключить загромождения в его проточной части, им придают обтекаемую форму за счет установки полых ребер или экранов. Для улучшения аэродинамики диффузоров используют также отсос или сдув пограничного слоя. При доводке камеры сгорания приходится часто вносить местные конструктивные изменения в элементы подвода воздуха во фронтовое устройство, систему основных воздухоподводящих отверстий и систему охлаждения стенок жаровой трубы, чтобы исключить вредное влияние неравномерности потока в диффузоре. Жаровые трубы являются одним из основных узлов камеры сгорания любой схемы.
В жаровой трубе происходит сгорание топлива и обеспечивается подача газа заданных параметров в турбину ГТД. В качестве примера конструктивного выполнения иа рис. 8.9 приведены фотографии секционных жаровых труб трубчато-кольцевой и кольцевой камеры сгорания.
401 г Э Рис. 8.9. Жаровые трубы: а — кольцевая е 12-ю галовкамн; б — трубчатая Фронтовые устройства, Фронтовое устройство жаровой трубы формирует структуру потока в головной части, определяет процессы смесеобразования„стабилизации пламени и выгорания топлива. На рио. 8.10 приведены схемы нескольких фронтовых устройств жаровых труб с наиболее распространенными стабилизаторами горения: лопаточным завихрителем (а), конусным (б) и струйным (в) стабилизаторами и фронт испарительного типа (г).
Основным элементом фронтового устройства является стабилизатор. Физическая основа стабилизации пламени заключается в создании в головной части жаровой трубы зоны пониженного давления, вследствие чего образуется зона обратных токов, в которой часть горячих газов движется навстречу основному потоку воздуха и распыленного топлива.
В этой зоне происходит интенсивное испарение топлива, образование топливо-воздушной смеси, ее воспламенение и стабилизация пламени. Рис, 8.10. Фронтовые устройства: а — с лапаточным вавнхрнтелем; ! — аавнхрнтель; 2 — камера смещення; Э вЂ” оребренный патрубок: 4 . сатрубок; Э вЂ” секпня жаровой трубы; б-с кояусным стабеляввтаром; ! -- конусный стабнлнватор; 2 в головка. Э вЂ” секпнн жаровой трубы; в — с щелевай головной; ! — втулка; 2 — головка; Э— секция; 4 — щелк терочного тина; а — нспарктельного твоа; ! — струйная форсунка; 2— нспврнтельный патрубок, Э— жаровая труба рис.
8Л!. Структура потока вв фром.', товым устройством с лопиточиым ви- викрителем: с — цнркуляцноннвя вояв ());  — проря. лн осевой (т) н окружной (Э) состввляюсцей скорости а На рис. 8.11 показана струк- 8 Х тура потока за фронтовым устройством с лопаточным завих- . рителем. Ввиду симметрии рассмотрим течение в верхней . полуплоскости. Зона циркуляции находится л внутри кривой ОАСВ. Точку В называют точкой торможения'. С внешней стороны от лии нии ОАСВ находится основной поток, который поддержива ц ркуляционное движение вдоль сплошной грани ы АВ. Н ет шт их риховой линии АВ осевые составляющие скорости равны .
нулю. За точкой торможения возвратное течение отсутствует, далее по потоку происходит смещение максимума профиля осевой скорости по направлению к осевой линии в результате уменьшения закрутки. Расход газа из центральной части за форсункой (плоскость ОА) компенсируется его притоком из пространства жаровой трубы, расположенного ниже по потоку. В центре головки жаровой трубы образуется зона обратных токов, течение в которой направлено , к торцу топливной форсунки.
Таким образом, в объеме фронтового устройства образуется три вида течения: зона обратных токов, зона рециркуляции и основной активный поток. Р аспыленное форсункой топливо вводится в начальную часть зоны обратных токов и выносится встречным потоком в кольцевую струю, где образуется гетерогенная топливо-воздушная смесь. Если зту смесь воспламенить, то стабилизация пламени будет осуществляться вблизи внешней границы зоны обратных ток Указ ов. казанная структура потока в головной части жаровой трубы ' при холодной продувке и при горении качественно одинаковы, однако размеры зоны обратных токов прн горении существенно сокращаются.
Это происходит из-за влияния стенок жаровой тр б роцесс расширения газа при тепловыделенин в активном .Э - р руы потоке, что и приводит к поджатию н укорочению зоны обратных токов. По во одвод воздуха в жаровую трубу. За фронтовым устройством ': в стенках жаровой трубы выполняют несколько рядов основных отверстий для подвода воздуха. Число, размеры и расположение отве сти р тий выбирают на основании предварительных расчетов геометрических характеристик камеры сгорания, а также имеющегося практического опыта, и уточняют в процессе конструк- 404 горской компоновки и экспериментальной доводки камеры сгорания. Через первые ряды отверстий в стенках жаровой трубы подво.
дят необходимое количество воздуха в зону горения для завершения процесса сгорания топлива. Как правило, число рядов отверстий для подвода этого воздуха — один или два. Количество воздуха, подведенного в эту зону, с учетом расхода через фронтовое устройство и пояса охлаждения секций, составляет 50 ... 60 вс() от общего расхода через камеру. Между последним рядом отверстий для подвода воздуха в зону горения и первым рядом отверстий зоны смешения стенка жаровой трубы выполняется глухой (без отверстий), что необходимо для поддержания высокой температуры процесса без замораживания его струями холодного смесительного воздуха. На рис. 8.12 приведена диаграмма распределения площади подвода воздуха в жаровую трубу кольцевой камеры сгорания авиационного ГТД при расчетном коэффициенте избытка воздуха ая = 2,8.
В первом приближении можно считать, что расход воздуха пропорционален площади отверстий в стенках жаровой трубы и фронтовом устройстве. На рис. 8.!3 и 8.14 показаны некоторые варианты конструктивного выполнения отверстий и патрубков для подвода воздуха в жаровую трубу. В зону горения воздух подается через ряды круглых или продолговатых отверстий. Для увеличения жесткости тонкостенных секций и повышения пробивной способности струй отверстия выполняются с отбортовками или манжетами. Для увеличения перепада давления воздуха на первых секциях жаровой трубы могут выполняться специальные заборные устройства, В смесительную часть жаровой трубы воздух подводится через отверстия или патрубки, которые увеличивают глубину проникновения струй смесительного воздуха в сносящий поток газа, что улучшает смешение воздуха с продуктами сгорания и повышает равномерность поля температуры газа на входе в т бину.
Р а рис. 8.15 в качестве примера показано влияние подвода воздуха в жаровую трубу на характеристику поля температуры газа. Изменение количества отверстий с 8 до 5 в секциях зоны смешения трубчато-кольцевой камеры сгорания при неизменной суммарной площади воздухоподводящнх отверстий в зту зону позволило резко уменьшить уровень температурной неравномерности газа в выходном сечении (см. рис. 8.15, а). Влияние оптимизации углового положения воздухоподводящих отверстий в секциях зоны смешения кольцевой жаровой трубы при неизменном числе, площади и форме отверстий представлено на рис, 8.15, б. Гд ' 2В 85 44 дз 87 Дг Рис. 8.12.
Распределение площади воздухоподводящнх отверстий по длине жировой трубы: ! — фронтовое устраиствас 2, Š— отверстия для аодвадв ваэдукэ в эану горения; 2. 2— то ме в вону смешения Рис. 8.18. Подвод воздуха в зону го- Рис. 8.14. Вярнеиты патрубков и от. рения жаровой трубы: верстий для подвода воздухе в зону 2 — головке; 2. я — отбортаввииые огвер- смещения жаровой трубы стив: 3 — манжете; 4 — евбариыя вкрвиг 6 — ялемеят жесткостн Эти примеры свидетельствуют о сложности физических процессов в камерах сгорания. Поэтому окончательная доводка характеристик камеры, как правило, выполняется экспериментально. Охлаждение жаровых труб. Ресурс и надежность жаровых труб определяются уровнем и равномерностью нагрева их стенок.
Нагрев стенок происходит от горячих газов, протекающих вблизи стенок (конвективный поток тепла), а также за счет теплового излучения от продуктов сгорания и зоны горения (лучистый поток тепла). В камерах сгорания авиационных ГТД суммарный тепловой поток (конвективный и лучистый) достигает 10' Вт/мя и более. С учетом свойств современных материалов для обеспечения ресурса жаровых труб более 1000 ч необходимо, чтобы местная температура стенок не превышала 900 ... 950 'С при градиентах не более 50 'С/мм. Выполнение указанных требований при высоких значениях Т„, Т„, р„' и ограниченном расходе охлаждающего воздуха является очень сложной задачей.
Для охлаждения стенок жаровых труб применяется комбинированное конвективно-пленочное охлаждение. Охлаждающий воздух подается через стенку жаровой трубы для устранения непосредственного контакта горячих газов со стенкой (пленочное охлаждение), а с яхолодной» стороны стенки охлаждаются за счет конвекции тепла, отбираемого воздухом, протекающим в кольце-' 407 Т,'- Тг г у О б б у г дязбдрбрл Ю Рис. 8.18.
Влияние подвода воздуха в жаровую трубу из паля температуры газа не выходе: и — трубчато. кольцевая камера сгоравяя с 1О.ю жаровымв трубами. Вариант 1: трк сек. цвв с 5-ю отверстиями в каждой, вариант 11: трк секцнн с 8-ю отаерсткямн в каждой 1площадь отверстий ьлч = сонат): б — кольцевая камера сгорания с 1О.ю головкамн. Вариант 111 дв дцат т рствй А р номврно ра положены о окружноств, варваит 1у: два,;пать отверстнй А с парным ресположенкем отверстий (площадь отверстнй Длч = = с пвн, вых каналах 1коивективное охлаждение).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
