Классификация и конструктивные схемы основных камер сгорания ГТД

Так как основная камера сгорания ГТД располагается в проточной части между компрессором и турбиной, ее конструктивное исполнение в значительной степени зависит от схемы этих узлов и соотношения их радиальных размеров. Для газотурбинных двигателей большой тяги с компрессором и турбиной двумя основными типами камер сгорания являются трубчатые и кольцевые, а промежуточное положение занимают трубчато-кольцевые.

1. Конструктивные типы основных камер сгорания ГТД. Трубчатые камеры сгорания. Трубчатая камера сгорания имеет индивидуальную цилиндрическую жаровую трубу 5 (как показано на рис. 2.6.2), расположенную внутри отдельного цилиндрического корпуса (кожуха) 6.

Трубчатые КС широко применялись на авиационных газотурбинных двигателях первых трех поколений. Количество таких камер, равномерно располагаемых вокруг вала двигателя, обычно составляет от 7 до 16.

Рис. 2.6.2. Трубчатая камера сгорания: 1 — топливная форсунка; 2 — экран; 3 — завихритель; 4 — зона горения; 5 — жаровая труба; 6 — корпус (кожух); 7 — отверстия для подвода воздуха в зону смешения; 8 — патрубок для переброски пламени

Кольцевые камеры сгорания. Кольцевая камера сгорания благодаря своей высокой компактности и малой массе получила наибольшее распространение в современных авиационных двигателях. Внутри ее единого наружного кольцевого корпуса 4 располагается общая кольцевая жаровая труба 3 (как показано на рис. 2.6.3, а).

При одинаковой длине с трубчатой КС кольцевая жаровая труба имеет на 20...30% меньшую площадь поверхности, что снижает потребный расход воздуха на ее охлаждение. Однако из-за замкнутой кольцевой конструкции в ней возникают значительные температурные напряжения, особенно проявляющиеся на переходных режимах работы ГТД.

Стендовые испытания полноразмерных отсеков кольцевых камер сгорания требуют существенных расходов воздуха с высокими значениями давлений и температур.

Трубчато-кольцевые камеры сгорания. В трубчато-кольцевой камере сгорания реализована попытка сочетать высокую компактность кольцевой КС с технологическими достоинствами трубчатой конструкции (как показано на рис. 2.6.3, б).

Передняя часть жаровой трубы, включающая зоны стабилизации пламени и горения, выполнена в виде отдельных цилиндрических жаровых труб 3, которые далее переходят в общую кольцевую зону смешения. Все жаровые трубы помещены в общий кольцевой корпус 4.

По сравнению с кольцевой КС трубчато-кольцевая схема имеет ощутимое преимущество при доводке: для газодинамических исследований можно использовать отдельные отсеки, содержащие одну или несколько жаровых труб. Это позволяет существенно снизить стоимость и трудоемкость испытаний. Важнейшей инженерной задачей при проектировании и доводке таких камер является обеспечение безотрывного обтекания жаровой трубы на участке перехода от трубчатой к кольцевой части.

Рис. 2.6.3. Кольцевая (а) и трубчато-кольцевая камеры сгорания (б): 1 — внутренний корпус; 2 — спрямляющий аппарат компрессора; 3 — жаровая труба; 4 — наружный корпус; 5 — сопловой аппарат (СА) турбины; 6 — топливный коллектор; 7 — патрубок для переброски пламени; 8 — свеча зажигания; 9 — корпус диффузора; 10 — воздухозаборник фронтового устройства (обтекатель); 11 — завихритель

2. Сравнительный анализ конструктивных типов КС. В каждом конкретном проекте ГТД выбор типа камеры сгорания определяется компромиссом между массогабаритными параметрами, технологичностью и эксплуатационными свойствами.

Таблица 2.6.1. Сравнительная характеристика камер сгорания ГТД различных типов

3. Камеры сгорания малоразмерных ГТД (МГТД). На схему проточной части и конструктивное исполнение жаровой трубы камеры сгорания малоразмерных ГТД (МГТД) определяющее влияние оказывают два фактора:

1. Большое отношение среднего диаметра выхода из закомпрессорного диффузора к среднему диаметру соплового аппарата турбины;
2. Минимальное расстояние между компрессором и турбиной, выбираемое из условий обеспечения высокой частоты вращения вала и предотвращения его изгибных колебаний.

Противоточные кольцевые камеры сгорания. В МГТД с центробежным компрессором широкое применение получили кольцевые противоточные камеры сгорания, расположенные над кожухом турбины (как показано на рис. 2.6.4).

Такая конфигурация позволяет применить предельно короткий вал, обладает высокой эффективностью использования объема и обеспечивает удобство обслуживания (в частности, свободный доступ к топливным форсункам 3, как показано на рис. 2.6.5, а).

Рис. 2.6.4. Кольцевая противоточная камера сгорания МГТД: 1 — газосборник; 2 — жаровая труба; 3 — корпус камеры сгорания; 4 — наружный кольцевой канал; 5 — топливная форсунка

Главным недостатком противоточных КС является повышенное отношение площади поверхности жаровой трубы к ее внутреннему объему. Трудности охлаждения столь развитой поверхности усугубляются с ростом степени повышения давления в компрессоре и температуры воздуха Tᵣ*.

При температурах Tᵣ ≥ 1200 К* стенки длинного криволинейного газосборника требуют интенсивного заградительного охлаждения воздушной завесой. Это ведет к существенному росту неравномерности температурного поля газа перед турбиной.

Для решения данной проблемы применяются малорасходные системы охлаждения, либо осуществляется переход к камерам наклонного типа с уменьшенной длиной газосборника.

Рис. 2.6.5. Схемы кольцевых противоточных камер сгорания для МГТД: а — с криволинейным газосборником; б — фирмы Turbomeca; 1 — вход воздуха; 2 — жаровая труба; 3 — топливная форсунка; 4 — сопловой аппарат (СА) турбины; 5 — компрессор; 6 — воспламенитель; 7 — полые лопатки СА; 8 — ввод топлива

Проблематика топливоподачи и зажигания в МГТД. Проектирование высокоэффективных камер сгорания для малоразмерных двигателей сопряжено с несколькими ключевыми инженерными проблемами:

1. Ограничение минимального диаметра форсунок: Для обеспечения высокой равномерности поля температур, предотвращения локальных прогоров стенок и снижения экологических выбросов требуется устанавливать достаточно большое число форсунок. Однако увеличение их количества приводит к уменьшению абсолютных размеров сопловых отверстий. Форсунки малых размеров крайне подвержены засорению и эрозии, поэтому сопла диаметром меньше 0,35...0,40 мм в авиастроении практически не применяются.

2. Вращающиеся форсунки: Альтернативным решением проблемы распыла является установка вращающейся форсунки непосредственно на валу двигателя в камерах с кольцевой жаровой трубой (как показано на рис. 2.6.5, б). Подобная схема реализована в ряде МГТД фирмы Turbomeca. Главным ограничением для широкого внедрения вращающихся форсунок выступает высокая инерционность низконапорной системы топливоподачи на переходных режимах работы двигателя.

3. Массогабаритный дисбаланс системы зажигания: Проблема разработки КС для МГТД также обусловлена несоответствием массы и габаритов агрегатов зажигания относительно малых размеров самой камеры. По условиям эксплуатации МГТД требуется выполнять большее количество запусков, чем для полноразмерных мощных ГТД. Попытки пропорционального уменьшения массы и габаритов агрегатов зажигания ведут к усложнению конструкции, снижению общей надежности и сокращению ресурса силовой установки.