3.4.Основные элементы камер сгорания

Основными элементами камер сгорания являются топливоподающие устройства, средства розжига камер в процессе запуска, диффузоры, жа­ровые трубы и корпусы (кожухи), внутри которых располагаются жаровые устройства.

К топливоподающим устройствам камер сгорания относятся топливные коллекторы (трубопроводы), смонтированные, как правило, снаружи диффузорной части камеры, и топливные форсунки. Подробному рассмотрению конструкции форсунок посвящено специальное занятие, по­этому здесь можно лишь отметить то обстоятельство, что иногда корпу­сы форсунок могут быть использованы в качестве силовых элементов камер. Так, например, в трубчато-кольцевых камерах сгорания форсунки воспринимают радиальные нагрузки, передаваемые с жаровых труб на внешний корпус диффузора.

Средства розжига камер представляют собой свечи или воспламенители. Воспламенители выполняются в виде малогаба­ритных камер, предназначенных для создания пусковых факелов. Пус­ковыми факелами поджигается топливовоздушная смесь внутри камеры сгорания. В воспламенителях, в свою очередь, устанавливаются свечи и пусковые форсунки.

В отдельных и трубчато-кольцевых камерах сгорания воспламените­ли устанавливаются не на всех камерах или жаровых трубах.

Диффузор камеры сгорания представляет собой расширяющийся канал, в котором происходит уменьшение скорости воздуха от 120— 160 м/с (на выходе из компрессора) до 60—70 м/с (на входе в жа­ровую трубу камеры). Снижение скорости потока в камере способствует улучшению устойчивости горения и уменьшению гидравлических потерь.

Рис.12. Отдельная камера сгорания:

1 — жаровая труба; 2 — кожух камеры; 3 — диффузор камеры

Конструктивно диффузоры 3 (см. рис. 12) представляют собой па­трубки (горловины), отлитые из алюминиевого сплава, а в кольцевых и трубчато-кольцевых камерах — профилированные литые или стальные сварные горло­вины. Сварные диффузоры по сравнению с литыми имеют меньший вес и поэтому получили наиболее широкое распространение на современ­ных ГТД.

Жаровые трубы предназначены для организации в них процессов горения и смешения продуктов сгорания со вторичным воздухом.

При конструировании жаровых труб должны быть обеспечены:

- стабилизация пламени на всех режимах полета;

- наибольшая полнота сгорания топлива;

- надежное перемешивание газов и воздуха и получение необхо­димого распределения температуры потока по длине и сечению трубы;

- требуемое охлаждение деталей камеры и предотвращение чрез­мерной неравномерности их нагрева, вызывающей недопустимые темпе­ратурные напряжения.

Для устойчивого горения керосина с высоким значением коэффи­циента полноты сгорания в потоке воздуха необходимо создать наилуч­шие условия распыла, перемешивания и испарения топлива, а также обеспечить в зоне горения среднюю скорость потока не более 15—20 м/с и максимально возможную температуру газов, т. е. примерно 1900—2000°С.

Наибольшее значение температуры газов получают сжиганием топ­лива при коэффициенте избытка воздуха, близком к единице. Последую­щее снижение температуры перед турбиной (до температуры, допусти­мой по условиям прочности, турбины) производится разбавлением про­дуктов сгорания вторичным воздухом в зоне смешения. По мере повы­шения температуры относительное количество вторичного воздуха умень­шается.

Требуемое снижение скорости потока в передней части жаровых труб одновременно с улучшением перемешивания топлива с воздухом и организацией должного подвода тепла для нагрева и испарения топлива достигается созданием зон обратных токов. Зоны обратных токов возни­кают за плохообтекаемым телом (рис. 13 а) или после завихрителя (рис. 13 б). Характер течения воздуха в зонах обратных токов виден на рисунке, где показаны линии токов и картина изменения осевых состав­ляющих скоростей потока по сечению трубы. Границы зон обратных то­ков выделены пунктирными линиями.

Устройства, с помощью которых создают зоны об­ратных токов, получили на­звание стабилизато­ров.

Ч аще всего в качестве стабилизаторов основных камер ГТД применяются завихрители. Гидравличе­ские потери в завихрителях значительно ниже, чем в других типах стабилизаторов. Завихрители (рис. 14 а) представляют собой лопатки, штампованные из листового материала и приваренные к наружному и внутреннему кольцам. На­ружное кольцо завихрителя в свою очередь привари­вается к стенке головки жа­ровой трубы в передней ее части, а по внутреннему его кольцу центрируется корпус топливной форсунки. Через завихрители проходит примерно 8 – 10% воздуха от общего его расхода.

Рис. 13. Зоны обратных токов:

а – за пластиной; б – за завихрителем

Размеры зоны обратных токов за завихрителем определяются сте­пенью интенсивности закрутки воздуха. Закрутка зависит от числа лопа­ток и угла их установки.

На применяющихся камерах число лопа- ток завихрителя обычно равно 5—12, а углы установки - 30—80°.

Для стабилизации пламени могут также применяться конусы, уста­навливаемые в передней части жаровой трубы так, что за ними обра­зуются обратные течения воздуха. Такой стабилизатор показан на рис. 14 б.

Основным недостатком стабилизаторов подобного типа является по­вышенное гидравлическое сопротивление и недостаточная надежность их работы из-за возможного отложения нагара в пространстве между кону­сами и вызванного этим прекращения образования зоны обратных токов.

Конструктивно возможно также осуществление стабилизации с обра­зованием обратных токов за передней стенкой жаровой трубы, имеющей специальные прорези-щели 1 (рис. 15). Щели выполняют способом про­сечки стенки и отгибом ее краев. Проходные сечения, форма и взаимное расположение щелей, определяющие размеры зоны обратных токов, подбираются экспериментальным путем. Технология изготовления жаровых труб с такой стабилизацией пламени не вызывает больших затруднений в производстве, однако в процессе эксплуатации они могут деформиро­ваться вследствие потери устойчивости при незначительном перегреве или нарушении охлаждения. Поэтому камеры сгорания с такими стабилиза­торами не получили широкого распространения.

Смешение продуктов сгорания, поступающих из зоны горения, с потоком вторичного воздуха происходит обычно в задней части жаровых труб. Подвод вторичного воздуха может осуществляться через окна, имею­щиеся в стенке жаровой трубы, форма и размеры которых могут быть весьма разнообразными (рис. 16 а, б, в, г, д, е). В кольцевых камерах сгорания для этой цели часто используются смесительные патрубки (рис. 16 ж, з).

Рис. 14. Стабилизаторы пламени:

а — завихритель; б — система конусов; 1 — наружный конус; 2— внутренний конус; 3 — форсунка

Организация подвода воздуха через окна в жаровых трубах выгодна с точки зрения упрощения конструкции труб. Подбором формы и разме­ров окон стремятся обеспечить хорошее перемешивание газа с воздухом и наименьшую неравномерность нагрева стенок труб.

Обеспечение равномерности нагрева трубы необходимо для уменьшения термических напря­жений. Это достигается применением дополнительных отверстий неболь­шого размера (рис. 16 е) между основными окнами трубы или же окантовкой краев отверстий специальными втулками (рис. 16 е) из жаропрочного материала.

Неравномерность нагрева стенки трубы, возникающая вследствие более интенсивного охлаждения материала стенки вблизи отверстий, при­водит к появлению термических напряжений. Это объясняется тем, что менее нагретая часть тру­бы мешает расширяться более ее нагретой части. Поэтому на относительно горячих участках трубы (между отверстиями) воз­никают сжимающие на­пряжения, а на менее на­гретых участках (у краев отверстий) - растягиваю­щие, способствующие об­разованию трещин.

К недостаткам, при­сущим способу подвода воздуха через окна в жа­ровых трубах, относится небольшая дальнобой­ность струи воздуха. В связи с этим возникает трудность получения необ­ходимого снижения тем­пературы в центральной части потока, особенно при больших сечениях труб. Именно поэтому наибольшее распростране­ние получил способ под­вода воздуха через окна в жаровых трубах отдельных и трубчато-кольцевых камер сгорания, имеющих небольшое поперечное сечение и позво­ляющих осуществить подвод воздуха по всему периметру трубы.

В жаровых трубах кольцевых камер сгорания маломощных двига­телей тоже иногда используют окна для подвода воздуха в зону смеше­ния; для обеспечения хотя бы некоторого увеличения дальнобойности струй воздуха в этом случае применяют окна продолговатой формы (рис. 16 б).

Применение смесительных патрубков (рис. 16 ж, з) для подвода воздуха в кольцевых камерах позволяет обеспечить более равномерное поле скоростей и температур по сечению на выходе из камеры сгорания.

Рис. 15. Головка жаровой трубы:

1 — щели для прохода воздуха; 2 —втулка для центрирования форсунки

Установка патрубков в потоке газа с высокой температурой требует применения специальных мер охлаждения патрубков и защиты их от га­зовой коррозии, особенно их передней части. Для этой цели обычно по­вышают скорость .воздуха, омывающего переднюю стенку патрубка, пу­тем уменьшения сечения канала при помощи специальной вставки А (рис. 16 а).

Кроме внутреннего охлаждения патрубка возможно также создание защитного подслоя холодного воздуха, омывающего его наружную по­верхность. Для этого перед патрубком устанавливают специальные насадки или делают щели для подвода охлаждающего воздуха. Для защиты патрубков от газовой коррозии иногда применяют покрытие их наружной поверхности слоем жаропрочной эмали.

ж з

Рис. 16. Форма окон и патрубков для подвода воздуха внутрь жаровых труб: