Конструктивные схемы основных камер сгорания

По конструктивному выполнению КС делятся на индивидуальные, кольцевые и трубчато-кольцевые. Основными конструктивными элементами КС являются одна жаровая труба (одна или несколько) и корпус.

Индивидуальные (трубчатые) КС применялись на первых ТРД с центробежным компрессором. Каждая КС состоит из одной жаровой трубы, заключенной в индивидуальный корпус. В комплект двигателя входит 6-10 таких КС, расположенных равномерно вокруг среднего корпуса двигателя. Преимущества данной схемы заключаются в хорошей производственной, эксплуатационной и ремонтной технологичности (легкость экспериментальной доводки КС при ее разработке, простота сборки, возможность замены в условиях эксплуатации). Недостатки,- увеличение габаритов двигателя из-за плохого использования пространства между отдельными КС; большой вес комплекта КС; большая неравномерность поля температур газа на выходе. В современных ГТД индивидуальные камеры почти не находят применения.

Рис. 26. Типы основных камер сгорания

а – трубчатая; б – трубчато-кольцевая; в – кольцевая

Кольцевая КС имеет одну общую жаровую трубу кольцевого сечения, расположенную в кольцевом пространстве, образованном наружным и внутренним корпусами, применяется на двигателях с ОК. Корпусы КС входят в силовую схему двигателя. Такая КС компактна, обеспечивает хорошую равномерность потока на входе в турбину, надежно работает в широком диапазоне параметров поступающего в нее воздуха. Недостатки,- трудность экспериментальной доводки из-за больших расходов газа, невозможность замены поврежденной КС без разборки двигателя.

Рис. 27. Конструктивная схема трубчатой камеры сгорания

1- входной конус; 2 – лопаточный завихритель; 3- центрирующий стакан; 4 – жаровая труба; 5 – сварной кожух

Трубчато-кольцевая КС выполняется в виде отдельных жаровых труб, заключенных в общий кожух, придающий жесткость всей конструкции. Такая КС является промежуточным типом между трубчатыми и кольцевыми КС, сочетают их достоинства и поэтому получили широкое применение. Для них характерны относительная легкость экспериментальной доводки, компактность и достаточная жесткость конструкции. В то же время они имеют несколько больший вес по сравнению с кольцевыми КС.

Рабочий процесс в КС

Горение топливовоздушной смеси (ТВС)представляет собой сложный физико-химический процесс, характер которого зависит от многих факторов и, в первую очередь, от агрегатного состояния топлива в ТВС. Экспериментально установлено, что воспламенение и сгорание топлива в КС ГТД происходит только в газовой фазе, т.е. предварительно должна быть получена гомогенная смесь паров топлива с воздухом. Таким образом, химическим реакциям окисления топлива предшествуют процессы смесеобразования: распыливание и испарение топлива и смешение паров топлива с воздухом.

Распыливание осуществляется в результате взаимодействия потока воздуха и струи топлива. Чем больше давление воздуха в КС и чем выше скорость истечения топлива из форсунки, тем лучше распыливание топлива.

Для распыливания жидкого топлива в ГТД используются центробежные форсунки. Для увеличения площади контакта топлива с воздухом струе топлива из форсунки придается форма поверхности конуса. Противоположная закрутка в КС воздуха и конической струи топлива способствует их интенсивному перемешиванию.

Качество распыливания характеризуется средним диаметром капель, который не должен быть более 40-70 мкм. Такой диаметр распыленных капель керосина соответствует перепаду давлений на форсунке ∆ р_ф = (40-80)10⁵ Па. Качественный распыл при меньшем перепаде давлений возможен при использовании форсунок других типов, например, пневматических, в которых происходит смешение топлива с воздухом и их истечение через общее сопло.

Испарение распыленного топлива обеспечивается за счет подвода к каплям топлива теплоты от воздуха. С повышением температуры воздуха, поступающего в КС из ОК, интенсивность испарения топлива увеличивается.

Первоначальное воспламенение ТВС и образование начального очага пламени при запуске двигателя производится от специального воспламенительного устройства. В процессе работы двигателя свежие порции топлива воспламеняются за счет теплоты основного факела пламени в КС.

ТВС может воспламеняться в интервале значений α_min<α<α_max. Для однородной ТВС керосина с воздухом эти значения составляют: α_min = 0,5 - 0,6; α_max = 1,5 - 1,7. Пределы указанного диапазона воспламеняемости по α могут быть расширены посредством неравномерного распределения топлива по объему КС, так чтобы вблизи источника воспламенения местные значения α были оптимальными.

Фронт пламени при горении ТВС распространяется в ней с определенной скоростью, называемой скоростью горения (v_г). Максимальное значение v_г достигается при α = 0,9 – 0,95, при котором температура продуктов сгорания также максимальна. Вихревое движение ТВС в процессе горения приводит к существенному росту v_г, которая в этих условиях достигает 25 – 40 м/с.