Мероприятия по организации устойчивого горения в кс гтд
1. Ступенчатый
подвод воздуха к топливу и продуктам
сгорания, за счет чего первоначально
создается необходимое обогащение ТВС
в зоне горения (α = 0,8…1,0), а затем обеднение
ТВС, приводящее к прекращению горения
и снижению 
на выходе из КС до заданного значения.
2.
Предварительное торможение потока в
диффузоре перед входом в жаровую трубу
(ЖТ) до скорости – ск
= 50…80
.
3. Стабилизация пламени за счет создания зоны обратных токов, заполненной горячими ПС, непрерывно поджигающими «свежую» ТВС.
Этапы рабочего процесса в основных кс
Рабочий процесс в КС состоит из следующих этапов:
1. Распыление форсунками топлива в жаровой трубе.
2. Смешивание топлива с воздухом и его испарение.
3. Воспламенение ТВС.
4. Химическая реакция окисления топлива (горение).
5. Прекращение горения и охлаждение ПС.
Особенности реализации этапов рабочего процесса:
– подача и распыл топлива в жаровой трубе (ЖТ) осуществляется через форсунку 6 (рис. 1.2) с перепадом давлений Δрф = 30…50 кгс/см2, что позволяет получать капли диаметром 20…100 мкм;
– при образовании ТВС капли топлива испаряются при перемешивании с воздухом, так как горение топлива возможно только в парообразной фазе;
– воздух, подаваемый в КС, тормозится в диффузоре 7 и делится на два потока: первичный и вторичный.
Первичный – Мв1 ≈ 25…50 % от всего Мв поступает непосредственно в зону горения через фронтовое устройство 2, где образуется богатая смесь (α = 0,8…1,0) и зона устойчивого горения с температурой ТПС =2200…2400 K и средней скоростью потока газа сПС = 25…30 м/с.
Вторичный
– Мв2
75…50 % от всего Мв
охлаждает жаровую трубу, протекая
между стенкой ЖТ 4
и корпусом КС: наружным 3,
внутренним 8,
и поступает в ЖТ поэтапно через ряды
отверстий в ЖТ. В зоне догорания к
продуктам горения добавляется кислород
и происходит догорание топлива,
одновременно снижается α и прекращается
горение.
Рис. 1.2. Организация процесса горения в жаровой трубе КС
В зоне смешения вторичный воздух смешивается с горячими газами из зоны горения, температура газа снижается до заданного значения на выходе из газосборника 5 КС. Вследствие значительного обеднения смеси (α = 2,4…4) в зоне смешения, догорание топлива в ГТ становится невозможным.
Для
обеспечения стабильного горения и
повышения полноты сгорания
в первичной зоне ЖТ с помощью фронтовых
устройств (ФУ) 1
(рис. 1.3) создается «зона обратных
токов» (ЗОТ).
а б
Рис. 1.3. Типы фронтовых устройств ЖТ: а – лопаточное, б – щелевое
Фронтовые устройства обычно размещаются в головной части жаровой трубы. В выполненных двигателях встречается в основном три типа фронтовых устройств:
- лопаточные (завихрители);
- струйные (щелевые);
- конические (основанные на явлении срыва потока).
Лопаточный завихритель 1 (рис.1.3, а) устанавливается концентрично форсунке, а за ним располагается диффузор ЖТ. Лопатки завихрителя могут быть выполнены профилированными или прямыми. В завихрителях с профилированными лопатками проходные каналы для воздуха выполняются сужающимися. В завихрителях с прямыми лопатками площадь проходного сечения постоянна.
Лопаточные завихрители выполняют обычно с числом лопаток 8 – 12, а угол установки φ = (60…80)о. С дальнейшим увеличением числа лопаток газодинамическая структура потока меняется мало, а гидравлическое сопротивление возрастает.
Лопаточный завихритель создает закрутку воздушного потока, вследствие чего в центре закрученной струи возникает разрежение и образуется зона обратных токов. По мере увеличения угла установки лопаток возрастает зона обратных токов и улучшается стабилизация пламени, однако при этом возрастает гидравлическое сопротивление.
Схема жаровой трубы со струйным фронтовым устройством (стабилизатором пламени) показана на рис. 1.3, б. В передней части жаровой трубы выполняется большое количество малых отверстий или щелей в виде просечек, направляющих первичный воздух на периферию ЖТ. В результате этого втекающие струйки воздуха создают в центре жаровой трубы пониженное давление с образованием зоны обратных токов, которая обеспечивает стабилизацию пламени. Струйное ФУ, по сравнению с лопаточным, позволяет уменьшить гидравлическое сопротивление при приемлемом качестве перемешивания.
Лопаточные и струйные фронтовые устройства могут выполняться: осевыми (см. рис. 1.3), радиальными, комбинированными.
Конические стабилизаторы работают как плохообтекаемые тела. Если плохообтекаемое тело установлено в потоке воздуха, за ним образуется зона вихреобразования, срывные течения и обратные токи. Такой принцип создания зоны обратных токов широко применяется в форсажных камерах сгорания.
Основная часть первичного потока воздуха поступает в ЖТ через фронтовое устройство и отбрасывается на периферию ЖТ (см. рис. 1.3).
В центре ЖТ образуется зона пониженного давления, в которую устремляется воздух с периферии навстречу потоку. Возникает зона циркуляции (пониженных и отрицательных скоростей), в которой возможно качественное смешивание топлива с воздухом, устойчивое горение, а также подача горячих ПС из зоны горения к факелу распыла топлива форсункой. Это способствует быстрому испарению капель и поджиганию вновь образующейся ТВС.
В факеле распыла максимальная концентрация топлива достигается на поверхности конуса распыла, в этом месте происходит воспламенение ТВС и ее устойчивое горение.
Первоначальное воспламенение ТВС в ЖТ при запуске ГТД осуществляется запальной свечой зажигания 1 (см. рис. 1.2) или пусковым воспламенителем факельного типа. Пусковой воспламенитель представляет собой миниатюрную КС со свечой зажигания и топливной форсункой. Эффективность работы пускового воспламенителя факельного типа определяется температурой, глубиной проникновения его факела внутрь ЖТ и местом расположения его в КС относительно фронтового устройства. По окружности КС в нескольких ЖТ устанавливают воспламенители для устойчивого воспламенения ТВС в момент запуска двигателя. В остальных ЖТ ТВС при запуске воспламеняется через пламеперебрасывающие патрубки. Обычно в индивидуальных (трубчатых) камерах сгорания ГТД наземного применения для большей надежности воспламенители устанавливают во все жаровые трубы.