3.3. Схемы основных камер сгорания и организация

процесса горения в них

Основные камеры сгорания авиационных ГТД могут иметь разнообразные формы проточной части и конструктивное выполнение. Они могут быть прямоточными и противоточными, осевыми и радиальными и т.д. Наибольшее распространение имеют камеры сгорания трех основных типов: трубчатые, трубчато-кольцевые и кольцевые.

Трубчатая камера сгорания состоит из жаровой трубы, внутри которой организуется процесс горения, и корпуса (кожуха). На двигатель обычно устанавливается несколько таких камер. В трубчато-кольцевой камере все жаровые трубы заключены в общий корпус. В кольцевой камере сгорания жаровая труба имеет в сечении форму кольца, охватывающего вал двигателя.

Расположение и тип форсунок, используемых для подачи топлива в камеры сгорания, также могут быть различными. Однако, несмотря на большое разнообразие схем и конструктивных форм основных камер сгорания, процесс горения в них организуется на основе одних и тех же принципов.

Одной из важнейших особенностей основных камер сгорания ГТД является протекание процесса горения при наличии больших коэффициентов избытка воздуха. При реализуемых в настоящее время температурах перед турбиной порядка 1200...1600 град. значение коэффициента избытка воздуха (среднее для всей камеры) должно составлять 2-3 и более. При таких значениях коэффициента избытка воздуха однородная гомогенная смесь не воспламеняется и не горит. При резком уменьшении подачи топлива в двигатель, которое может иметь место в условиях эксплуатации, коэффициент избытка воздуха может достигать существенно больших значений (до 20-30 и более).

Вторая важная особенность камер сгорания состоит в том, что скорость потока воздуха или топливовоздушной смеси в них (выбираемая с учетом требований к габаритным размерам двигателя) существенно превышает скорость распространения пламени, и поэтому, если не принять специальных мер, пламя будет унесено потоком за пределы камеры.

Поэтому организация процесса горения топлива в основных камерах ГТД основывается на следующих двух принципах, позволяющих обеспечить устойчивое горение топлива при больших коэффициентах избытка воздуха и высоких скоростях движения воздушного потока:

а) разделение всего потока воздуха на две части, из которых только одна часть (обычно меньшая) подается непосредственно в зону горения (где за счет этого создается необходимый для устойчивого горения состав смеси), а другая часть направляется в обход зоны горения (охлаждая снаружи жаровую трубу) и лишь перед турбиной смешивается с продуктами сгорания, понижая в нужной мере их температуру;

б) стабилизация пламени путем создания зоны обратных токов, заполненной горячими продуктами сгорания, непрерывно поджигающими свежую горячую смесь.

Конкретные формы реализации этих двух принципов могут быть различными.

Трубчато-кольцевая камера сгорания с лопаточным завихрителем состоит из жаровой трубы и кожуха. В передней части жаровой трубы, которую называют фронтовым устройством, размещается форсунка для подачи топлива и завихритель.

Скорость воздуха на выходе из компрессора составляет обычно не менее 110-160 м/с, а для эффективного сгорания топливовоздушной смеси она не должна превышать 30-70 м/с. Для уменьшения скорости воздуха в камере на входе в нее (за компрессором) выполняется диффузор.

Воздух, поступающий в зону горения, в свою очередь также делится на две части. Так называемый первичный воздух поступает непосредственно к месту расположения топливной форсунки и используется для формирования зоны обратных токов необходимой конфигурации и для интенсификации процессов горения и смешения.

Вторичный воздух, необходимый для завершения процесса горения, обычно подается в зону горения через передние ряды отверстий в боковых стенках жаровой трубы.

Среднее значение коэффициента избытка воздуха в зоне горения, определенное по сумме первичного и вторичного воздуха, на расчетном режиме работы камеры составляет обычно 1,7, что обеспечивает достижение высокой полноты сгорания.

Температура продуктов сгорания достигает здесь 1800-1900 град.

Воздух, поступающий в жаровую трубу через задние ряды отверстий или щелей, называется третичным или смесительным. Часть жаровой трубы, в которой этот воздух смешивается с продуктами сгорания, поступающими из зоны горения, называется зоной смешения.

Важно подчеркнуть, что если некоторая часть топлива не успеет сгореть до попадания в зону смешения, то дальнейшее ее догарание практически уже не произойдет, так как температура газа (и, следовательно, скорость горения) в этой части камеры резко падает, а коэффициент избытка воздуха возрастает до значений, превышающих концентрационный предел горения (1,7).

Число, расположение и форма отверстий для подвода третичного воздуха подбираются таким образом, чтобы обеспечить желаемое поле температур перед турбиной. Часть вторичного и третичного воздуха подается через небольшие щели непосредственно на внутреннюю поверхность жаровой трубы для ее дополнительного охлаждения.

Соотношение между количеством первичного, вторичного и третичного воздуха зависит от конкретной схемы организации процесса горения и расчетного значения температуры газов перед турбиной. С увеличением этой температуры относительное количество третичного воздуха, очевидно, должно уменьшаться, поскольку значение среднего коэффициента избытка воздуха на выходе из камеры приближается к среднему значению коэффициента избытка воздуха в зоне горения.

Подвод первичного и вторичного воздуха в жаровую трубу должен быть организован так, чтобы в зоне горения создавалась нужная газодинамическая структура потока.

Эта структура должна обеспечить хорошее смешение топлива с воздухом, создание нужных полей концентраций топлива и наличие мощных обратных токов, обеспечивающих надежное воспламенение свежей смеси на всех режимах работы камеры.

Структура потока в передней части жаровой трубы камеры сгорания с лопаточным завихрителем характеризуется следующим. Воздух, поступающий сюда через завихритель, движется далее вдоль поверхности жаровой трубы в виде конической вихревой струи. Эффект свободного вихревого движения воздуха, усиленный эжектирующим действием струи, приводит к понижению давления на оси камеры за завихрителем, вследствие чего в эту область устремляется газ из расположенных дальше от фронтового устройства участков жаровой трубы. В результате здесь возникает зона обратных токов. Между зоной обратных токов и внешним по отношению к ней потоком в результате турбулентного смешения происходит интенсивный массообмен.

Распыленное форсункой топливо попадает в зону обратных токов и выносится встречным потоком в область, примыкающую к ее границе, где и образуется гетерогенная горючая смесь. При запуске двигателя эта смесь поджигается огненной струей, создаваемой пусковым воспламенителем. Но в последующем горячие продукты сгорания вовлекаются в зону обратных токов и обеспечивают непрерывное поджигание свежей смеси. Таким образом, воспламенение горючей смеси в камере сгорания происходит вблизи внешней границы зоны обратных токов, а последующее ее выгорание идет от внутренних слоев смеси к внешним.

Роль зоны обратных токов очень велика. Циркулирующие в ней горючие газы не только поджигают свежую смесь, но и являются источником тепла, необходимого для быстрого испарения топлива, а сильная турбулизация потока и малые осевые скорости газа вблизи ее границы создают благоприятные условия для обеспечения надежного воспламенения горючей смеси.

Следует отметить некоторые особенности процесса воспламенения топлива в камерах сгорания ГТД при запуске двигателя. Один из вариантов устройства пусковых воспламенителей представляет собой миниатюрную (50-100 куб.см) камеру сгорания, в которую через форсунку подается топливо, а воздух поступает из пространства между жаровой трубой и корпусом камеры сгорания. При запуске образовавшаяся здесь богатая смесь воспламеняется с помощью электрической свечи. Воспламенитель располагается на камере сгорания так, что образовавшийся факел пламени направляется на границу зоны обратных токов и поджигает имеющуюся там свежую смесь. Для надежности запуска на двигателе устанавливается несколько воспламенителей (пусковых блоков).

Понижение давления и температуры воздуха, поступающего в камеру сгорания, резко сужает пределы воспламенения топлива по составу смеси. Поэтому для обеспечения надежного запуска двигателя на больших высотах требуется значительно более точная, чем на земле, дозировка подачи топлива при запуске как в пусковые воспламенители, так и в основную камеру сгорания.