Устройство и принцип действия камер сгорания

В «простом» термодинамическом цикле ГТД к потоку рабочего тела подводится тепло. В ГТД этот процесс осуществляется в камере сгорания (КС). Тепло подводится за счет сгорания топлива, то есть преобразования химической энергии топлива в тепловую, при этом температура рабочего тела возрастает от значения Т^*_к (за компрессором) до Т^*_г (на входе в турбину).

Реальный процесс в КС отличается от идеального наличием потерь давления. Потери давления в КС складываются из гидравлических потерь (потерь трения) и потерь от подвода тепла к потоку рабочего тела.

Экономичность двигателя находится в прямой зависимости от полноты сгорания топлива. В современных ГТД процесс сгорания топлива в КС достаточно хорошо организован, поэтому полнота сгорания топлива в них достигает величины =0,995...0,999.

 

 

Рисунок 34 – Конструктивная схема газотурбинного двигателя авиационного типа

 

К КС кроме общих требований предъявляются специфические требования. Рассмотрим их подробнее.

- минимальные габаритные размеры КС;

- высокая полнота сгорания топлива;

- минимальные потери полного давления;

- широкие пределы устойчивого горения;

- отсутствие пульсаций давления;

- требуемое поле температур на выходе;

- требуемый уровень вредных выбросов.

При всем разнообразии конструкций КС ее схему и происходящие в ней процессы можно представить следующим образом (рис. 35).

Рисунок 35 - Общая схема и распределение воздуха в КС:

1 - диффузор; 2 - кольцевые каналы; 3 - корпус КС; 4 - жаровая труба;

5 - отверстия первичной зоны; 6 - отверстия зоны смешения;

 7 - отверстия охлаждения; 8 - топливная форсунка;

 9 - фронтовое устройство; 10 - свеча зажигания

 

Воздух поступает из компрессора в КС с большой скоростью - в современных двигателях до 150 м / с. Потери полного давления в КС при подводе тепла к потоку, движущемуся с такой скоростью, были бы недопустимыми и достигали бы четвертой части повышения давления воздуха в компрессоре. Для снижения потерь давления и преобразования части кинетической энергии в прирост статического давления скорость воздушного потока после компрессора должна быть значительно снижена. Поэтому на всех ГТД после компрессора располагается диффузор 1. Далее воздух поступает в кольцевые каналы 2 между корпусом 3 и жаровой трубой 4, а затем в жаровую трубу. В жаровой трубе воздух распределяется по отверстиям двух условных зон - зоны горения 5 (первичная зона) и зоны смешения 6. Кроме этого, воздух также поступает в отверстия 7 для охлаждения горячих стенок жаровой трубы. Топливо подается в жаровую трубу через форсунки 8. В первичной зоне с помощью фронтового устройства (ФУ) 9 организуется зона с малыми скоростями. В этой зоне процесс горения поддерживается за счет циркуляционного течения продуктов сгорания, непрерывно поджигающих свежую топливовоздушную смесь (TBC). При запуске двигателя воспламенение TBC в КС осуществляется с помощью электрической свечи 10 или воспламенителя.

С точки зрения расположения на двигателе КС можно условно разделить на две группы: выносные и встроенные. Выносные КС размещаются в отдельном силовом корпусе с одной жаровой трубой параллельно или под углом к продольной оси ГТД (рис. 33). Выносные КС с отдельными жаровыми трубами удобно обслуживать и ремонтировать, они проще в доводке, удешевляют разработку различных устройств, уменьшающих образование вредных выбросов. Кроме этого, длинные газосборники между жаровыми трубами и турбиной создают хорошие условия для перемешивания продуктов сгорания. К недостаткам выносных КС можно отнести большие размеры с развитой поверхностью охлаждения и более сложные условия для компенсации тепловых расширений газосборников.

Встроенные КС позволяют уменьшить общие габариты и массу ГТД, снизить количество модулей (рис. 34). Наибольшее распространение в ГТД получили три схемы КС - трубчатые, трубчато-кольцевые и кольцевые (рис. 36).

 

   

Рисунок 36 – Конструктивные схемы встроенных камер сгорания:

а – трубчатые; б – трубчато-кольцевые; в - кольцевые

 

Рисунок 37 – Трубчатая камера сгорания

 

В трубчатой КС каждая жаровая труба имеет отдельный корпус и образует индивидуальную трубчатую КС (рис. 37).

В ГТД КС такой схемы выполняют в виде блока из нескольких индивидуальных трубчатых КС. Трубчатая КС с индивидуальными трубчатыми КС, расположенными вокруг внутреннего корпуса 1 двигателя. Корпуса 2 каждой индивидуальной КС соединяются с выходом компрессора при помощи фланца 3. Между собой корпуса индивидуальных КС и жаровые трубы соединены муфтами 4 для переброса пламени при розжиге TBC и выравнивания давления между жаровыми трубами. Кроме того, корпуса КС соединены между собой дренажными трубами 5 для слива топлива при неудавшемся запуске двигателя.

Топливо в КС подается через форсунки 7. Топливо к форсункам подается через коллектор 8 первого контура и коллектор 9 второго контура. На входе в КС расположен диффузор 10.

Трубчато-кольцевая КС также состоит из нескольких отдельных жаровых труб и газосборников, но располагаются они в общем кольцевом канале между корпусами. На рисунке 38 показана трубчато-кольцевая КС.

 

Рисунок 38 - Трубчато-кольцевая камера сгорания

 

Наружный 1 и внутренний 2 корпусы образуют кольцевой канал, в котором располагаются жаровые трубы 3 и кольцевой газосборник, состоящий из наружного 4 и внутреннего 5 колец. Кроме того, наружный и внутренний корпусы вместе со скрепляющими их двенадцатью силовыми стойками 6 входят в силовую схему двигателя. На входе в КС наружное кольцо 7 и внутреннее 8 диффузора образуют кольцевой диффузорный канал с безотрывным течением в начальном участке и с внезапным расширением потока на выходном участке. Наружное кольцо 7 диффузора образует вместе с наружным корпусом полость 9, з которой через фланцы 10 осуществляется отбор воздуха на агрегаты системы автоматического регулирования двигателя.

На корпус КС устанавливается двенадцать топливных форсунок 17, коллекторы первого 12 и второго 13 контуров с двадцатью четырьмя трубопроводами 14 подвода топлива к форсункам. Для розжига TBC в КС в двух жаровых трубах установлены по одной свече зажигания 15. Воспламенение топлива в других жаровых трубах происходит через пламеперебрасывающие патрубки 16, соединенные пламеперебрасывающими муфтами 17.

Жаровые трубы фиксируются от перемещения в радиальном направлении в передней части при помощи форсунок, а в задней - опираются на кольца газосборника. В осевом направлении десять из двенадцати жаровых труб фиксируются при помощи подвесок 18, а две жаровые трубы - при помощи свечей зажигания. В стенках жаровых труб выполнено два ряда отверстий 19 и 20 для подвода воздуха в первичную зону и зону смешения, соответственно. По боковым поверхностям фланцев 21 жаровые трубы стыкуются между собой, а по верхним и нижним поверхностям телескопически сопрягаются с кольцами газосборника. Кольца газосборника образуют кольцевой канал, в котором происходит формирование на выходе из КС газового потока с наименьшей неравномерностью температур и давлений по окружности и необходимой радиальной эпюрой. Задняя часть кольца газосборника наружного является корпусом соплового аппарата 22 ТВД.

На фланцы наружного корпуса установлены двенадцать перепускных труб 23, которые проходят через проточную часть КС и вставляются во втулки на корпусе внутреннем. Через перепускные трубы проходят трубопроводы масляной, воздушной и суфлирующей систем двигателя, а также, сообщается с наружным контуром полость, расположенная под внутренним корпусом. Для эндоскопического контроля КС на наружном корпусе расположены двенадцать лючков 24.

В кольцевой КС (рис. 39) между образующими кольцевой канал наружным 1 и внутренним 2 корпусами устанавливается одна жаровая труба 3.

Корпуса КС вместе с направляющим аппаратом 4 компрессора входят в силовую схему двигателя. На выходе из направляющего аппарата компрессора установлено кольцо диффузора наружное 5, которое вместе со стенкой внутреннего корпуса образует кольцевой диффузор.

Рабочий объем жаровой трубы представляет собой кольцевое пространство между наружной 6, внутренней 7 стенками и фронтовой плитой 8.

От перемещения вдоль оси двигателя жаровая труба зафиксирована подвесками 9. Стенки жаровой трубы изготовлены точением. Воздух на охлаждение стенок подается через несколько поясов отверстий 10. Кроме того, для местного охлаждения в стенках имеется перфорация 11 из мелких отверстий. Для организации горения воздух в жаровую трубу поступает во ФУ, в отверстия 12 первичной зоны и отверстия 13 зоны смешения. Для увеличения пробивной способности струй воздуха в отверстия установлены козырьки 14 и втулки 15. Топливо в КС подается через форсунки 16 с воздушным pacпыливанием. Топливо к форсункам поступает по коллекторам 17. Наружное кольцо диффузора образует вместе с наружным корпусом полость 18, из которой через фланцы 19 отбирается воздух.

 

Рисунок 39 - Кольцевая камера сгорания

 

Наружный корпус КС имеет двойную стенку. Внутренняя стенка 20 образует проточную часть КС и предохраняет наружную стенку от потока тепла от горячей жаровой трубы. Наружная стенка корпуса - силовая. Она воспринимает усилия от внутреннего давления и осевых сил. Между стенками корпуса проходит воздух, отбираемый из КС, на охлаждение турбины.

Кроме рассмотренных основных схем существует большое количество КС, которые имеют особенности конструкции для удовлетворения требований, предъявляемых к конкретной КС.

Вопросы для самоконтроля

1. Перечислите специфические требования, предъявляемые к камерам сгорания.

2. Назовите преимущества выносных камер сгорания по сравнению с встроенными.

3. Каково назначение первичного воздуха, поступающего в камеру сгорания?

4. Каково назначение вторичного воздуха, поступающего в камеру сгорания?

5. Назовите причину воспламенения топлива в камере сгорания при запуске газотурбинного двигателя.

6. Перечислите конструктивные особенности трубчатых камер сгорания.

7. Перечислите конструктивные особенности трубчато-кольцевых камер сгорания.

8. Перечислите конструктивные особенности кольцевых камер сгорания.