Основные камеры сгорания газотурбинных двигателей: устройство, требования и рабочий процесс

Камеры сгорания газотурбинных двигателей (ГТД) выполняют ключевую функцию в тепловом цикле силовой установки. По своему функциональному назначению и расположению в проточной части они подразделяются на две основные категории:
- Основные камеры сгорания (КС) — размещаются в тракте двигателя между компрессором и турбиной;
- Форсажные камеры сгорания (ФКС) — устанавливаются между турбиной и реактивным соплом.

Форсажные камеры применяются исключительно на двигателях сверхзвуковых самолетов для кратковременного увеличения суммарной тяги.

1. Назначение и технические требования к основным камерам сгорания. В основных камерах сгорания осуществляется непрерывное сжигание авиационного топлива. Этот процесс необходим для повышения потенциальной энергии рабочего тела (смеси воздуха и продуктов сгорания), которая затем преобразуется в кинетическую энергию при расширении газа в турбине и реактивном сопле.

Комплекс эксплуатационных и конструктивных требований. Основные камеры сгорания ГТД должны удовлетворять широкому кругу взаимопротиворечивых требований. Относительная важность каждого из них определяется типом, профилем применения и назначением конкретного двигателя. Все камеры сгорания должны обеспечивать:

- Максимально возможную полноту сгорания топлива на всех режимах работы;
- Надежное и плавное воспламенение топливовоздушной смеси во всех условиях эксплуатации двигателя (включая запуск при низких температурах окружающего воздуха и топлива);
- Широкую область устойчивого горения (срыва), гарантирующую стабильную работу при колебаниях давления, температуры, скорости воздуха на входе и состава смеси;

- Минимизацию потерь полного давления при протекании рабочего тела через тракт КС;
- Отсутствие автоколебаний газа (акустического горения), вызываемых нестационарными процессами горения;
- Приемлемые для рабочего колеса и соплового аппарата турбины значения максимальной неравномерности и коэффициента радиальной неравномерности поля температур газа на выходе, а также заданной эпюры относительной осредненной по окружности «избыточной» над средней по полю температуры газа;

- Отсутствие недопустимых (по соображениям безопасности и ресурса) отложений кокса и нагара в топливоподающей системе, внутри форсунок, на форсажных элементах и стенках жаровой трубы;
- Минимально возможную концентрацию частиц сажи в продуктах сгорания углеводородных топлив на выходе для исключения дымления двигателя;
- Допустимый уровень температур стенок жаровой трубы и тепловых напряжений в ее элементах, обеспечивающий достижение требуемого ресурса при выбранных конструкционных материалах;
- Минимизацию массы, габаритных размеров, стоимости изготовления и обслуживания в процессе эксплуатации.

Экологические и специфические требования. К специфическим современным требованиям, предъявляемым к основным камерам сгорания ГТД, относятся:
1. Минимизация эмиссии вредных веществ (монооксида углерода CO, несгоревших углеводородов и оксидов азота NOₓ);
2. Высокая устойчивость горения при попадании на вход в двигатель больших количеств воды (в виде дождя или обледенения);
3. Возможность надежной работы на нескольких марках или типах топлива (многотопливность).

2. Организация рабочего процесса в камере сгорания. В ходе эволюции и совершенствования ГТД камеры сгорания становятся более компактными, что приводит к существенному увеличению их теплонапряженности. Несмотря на значительный рост параметров рабочего тела, общая схема организации рабочего процесса остается классической (как показано на рис. 2.6.1).

Рис. 2.6.1. Схема кольцевой камеры сгорания ГТД: I — первичная зона горения; II — зона дожигания топлива; III — зона смешения; 1 — диффузор камеры; 2 — диффузор фронтового устройства (обтекатель); 3 — фронтовое устройство (головка жаровой трубы); 4 — наружная стенка жаровой трубы; 5 — отверстия первичной зоны; 6 — отверстия зоны дожигания; 7 — наружный корпус камеры; 8 — наружный кольцевой канал; 9 — отверстия зоны смешения; 10 — внутренний кольцевой канал; 11 — щель для охлаждающей завесы; 12 — воздушный завихритель; 13 — топливная форсунка

Проточная часть жаровой трубы традиционно разделяется на три функциональные зоны: первичную зону горения (I), зону дожигания (II) и зону смешения (III).

3. Зональный анализ рабочего процесса жаровой трубы. Первичная зона горения (Zone I). Вытекающий из компрессора высокоскоростной поток воздуха замедляется в диффузоре 1 и поступает в первичную зону (I) жаровой трубы основной камеры сгорания. Через топливные форсунки 13 в эту зону впрыскивается топливо. Воздух через отверстия 5 в боковых стенках подводится постепенно по длине жаровой трубы. При этом в первичной зоне создается течение с пониженной скоростью, благоприятной для поджигания смесь и стабилизации пламени.

Структура течения в первичной зоне определяется конструкцией головной части жаровой трубы и струями воздуха, втекающими через первый ряд основных отверстий 5. Обычно за воздушными завихрителями 12 образуются развитые зоны обратных токов, которые рециркулируют горячие газы и стабилизируют пламя. Выделение теплоты в первичной зоне должно быть достаточным для полного испарения распыленного топлива и его воспламенения. Именно в этом объеме жаровой трубы выделяется основное количество теплоты.

Состав смеси в первичной зоне существенно влияет на весь процесс горения. Камеры с стехиометрической (α = 1), богатой (α < 1) и бедной (α > 1) смесью в первичной зоне обладают своими достоинствами и недостатками:

- Коэффициент избытка воздуха α равен отношению расхода воздуха Gᵥ (кг/с) через выделенный объем жаровой трубы к теоретически необходимому для полного сгорания топлива:

где G_т — расход топлива (кг/с); L — стехиометрический коэффициент (L = 14,73...14,95 в зависимости от марки керосина).

В зависимости от конструкции фронтового устройства расход воздуха через первичную зону составляет 15...30% от общего расхода воздуха через жаровую трубу. При общем (суммарном) коэффициенте избытка воздуха α = 2,5...3,5 коэффициент избытка воздуха к концу первичной зоны составляет α = 0,6...1,1. Состав смеси по поперечному сечению жаровой трубы остается неравномерным.

Сравнительный анализ составов смеси в первичной зоне
- Богатая смесь (α < 1): Характерна для большинства классических двигателей. Преимущества — высокая полнота сгорания, надежное воспламенение и хороший («бедный») предел стабилизации пламени. Это достигается за счет малой скорости циркуляции газа и наличия локальных объемов со стехиометрическим составом. Недостатки — большой радиационный поток теплоты, склонность к дымообразованию и отложению сажи на стенках жаровой трубы и форсунках.

- Стехиометрическая смесь (α = 1): Обеспечивает максимальную объемную скорость тепловыделения, низкий радиационный поток теплоты, малое дымообразование и отсутствие нагара. Однако сопровождается высоким тепловым потоком к стенкам жаровой трубы и значительным образованием оксидов азота NOₓ.

- Бедная смесь (α > 1): Применяется по мере ужесточения экологических норм на эмиссию NOₓ. Характеризуется отсутствием дымообразования, отложений нагара и невысокой температурой стенок. Однако более высокая скорость циркуляции газа неблагоприятно отражается на устойчивости горения, воспламенении и перебросе пламени между фронтовыми модулями. Из-за этого в настоящее время состав смеси в первичной зоне обычно ограничен значением α < 1,2.

Зона дожигания (Zone II). После создания условий для эффективного сжигания топлива через один или два ряда отверстий 6 в стенках жаровой трубы вдуваются струи воздуха в количестве, необходимом для полного дожигания несгоревших продуктов.

Характерная длина зоны дожигания составляет L = 0,5...0,7 от высоты жаровой трубы H_см, а коэффициент избытка воздуха на выходе из нее для современных камер сгорания составляет α ≥ 1,1...1,9. Такой избыток воздуха необходим для полного сжигания топлива ввиду несовершенства перемешивания при установившемся на практике уровне потерь полного давления на жаровой трубе (Δp / p* = 0,025...0,035).

Зона смешения (Zone III). Избыточный воздух, который не участвует в горении и охлаждении стенок, подается внутрь жаровой трубы в зону смешения (разбавления) III. Его задача — сформировать среднюю температуру и оптимальный радиальный профиль (эпюру) температур на выходе из камеры сгорания, приемлемые для долговечности лопаток турбины.

Этот воздух (в современных КС в количестве 20...25% от общего расхода) вводится через последний ряд отверстий 9 в стенках жаровой трубы. Размер и форма этих отверстий оптимизируются по глубине проникновения струй и эффективности их смешения с основным потоком газа.

Неравномерность поля температур при оптимальном выборе размеров отверстий в значительной степени определяется геометрическим соотношением длины зоны смешения L_см к ее средней высоте H_см:

L_см / H_см ≈ 1,5...1,8

4. Конструктивные особенности малоэмиссионных камер сгорания. В современных малоэмиссионных камерах сгорания более 30% расхода воздуха, участвующего в процессе горения, подается непосредственно через фронтовое устройство.

Благодаря более тесному совмещению первичной зоны с зоной дожигания удается решить следующие задачи:
1. Минимизировать время пребывания продуктов сгорания в зоне максимальных температур;
2. Существенно снизить уровень выбросов оксидов азота NOₓ;
3. Обеспечить полноту гомогенизации (перемешивания) топливовоздушной смеси перед ее непосредственным выгоранием.