Малоэмиссионные камеры сгорания: конструкции и модули TAPS

Постоянное ужесточение экологических стандартов и норм на эмиссию вредных веществ, планомерно осуществляемое Международной организацией гражданской авиации (ИКАО) с 1977 года, подтолкнуло авиадвигателестроение к существенному изменению конструкции камер сгорания газотурбинных двигателей. Главной научно-технической задачей стало снижения уровня оксидов азота (NOₓ) и продуктов неполного сгорания во всем диапазоне эксплуатационных режимов.

Для решения этих задач были разработаны и испытаны малоэмиссионные камеры сгорания с двумя пространственно обособленными зонами горения: пилотной и основной.

Конструктивные схемы двухзонных и двухъярусных камер сгорания. В малоэмиссионных системах пилотная зона горения обеспечивает надежный запуск двигателя и работает по принципу диффузионного горения (традиционная схема) в течение всего времени полета. Основная зона горения, напротив, использует заранее перемешанную бедную топливовоздушную смесь с малым временем пребывания газов в зоне высокого тепловыделения и активируется исключительно на режимах повышенной тяги.

По пространственному расположению выделяют два базовых типа компоновки:
- Двухзонные камеры сгорания: зоны горения расположены последовательно (каскадом) вдоль общего потока воздуха.
- Двухъярусные (двухкольцевые) камеры сгорания: зоны образуют двухъярусную кольцевую структуру.

Рис. 2.6.6. Схемы малоэмиссионных камер сгорания с двумя обособленными зонами горения: а — двухзонной; б, в — двухъярусной (двухкольцевой); б — без смещения; в — со смещением основной зоны горения по длине камеры; 1 — пилотная зона горения; 2 — основная зона горения

Одной из наиболее успешных конструкций данного класса является двухкольцевая камера сгорания, прошедшая испытания на турбореактивном двухконтурном двигателе (ТРДД) CFM56. Применение этой системы позволило сократить индекс эмиссии EI_NOₓ (г NOₓ на кг топливных ресурсов) на 20–30% по сравнению с базовой однозонной кольцевой камерой сгорания двигателя CF6.

Тем не менее, высокая сложность конструкции, трудоемкость автоматизированных систем контроля и управления процессом горения, а также необходимость дальнейшего снижения выбросов NOₓ требуют разработки более совершенных решений.

Универсальные фронтовые модули и принципы работы. Для упрощения конструкции и возврата к надежным однокольцевым жаровым трубам ведущие авиадвигателестроительные фирмы разработали универсальные фронтовые модули. Данные устройства объединяют в одном корпусе функционал как пилотной, так и основной камер.

За счет пневматического распыливания основной доли топлива (до 70%), его предварительного смешения с воздухом и испарения на выходе из модулей (и в объеме жаровой трубы) формируется хорошо перемешанная бедная смесь с коэффициентом избытка воздуха α > 1,8...2,2.

Ключевые проблемы и инженерные решения. Внедрение универсальных фронтовых модулей связано со рядом физико-химических и газодинамических проблем:
1. Ухудшение устойчивости и стабилизации пламени на режимах малого газа.
2. Риск возникновение проскока пламени и термической нестабильности (вибрационное горение) при подаче топлива в основную зону.
3. Сложность распределения топлива между зонами, так как пламя не всегда способно устойчиво распространяться по бедной смеси.

Для решения этих проблем применяются следующие конструктивные элементы:
- Пневматические форсунки и многоярусные завихрители, существенно интенсифицирующие процесс смешения топлива с воздухом.
- Перспективные керамические материалы, уменьшающие расход воздуха на охлаждение стенок жаровой трубы и направляющие его на горение.
- Отказ от основных отверстий смешения в стенках жаровой трубы без потери полноты сгорания и при сохранении равномерности поля температур.

Технология TAPS (Twin Annular Premixed Swirler). Успешным примером реализации концепции универсального фронтового модуля является модуль TAPS компании General Electric (Дженерал Электрик), разработанный для двигателей CFM56, GE90 и GEnx.

Рис. 2.6.7. Схема модуля TAPS (стрелки — места и направление подачи топлива): 1 — двухъярусный завихритель; 2 — радиальный завихритель; 3 — зона горения предварительно перемешанной топливовоздушной смеси; 4 — зона взаимодействия потоков; 5 — пилотная зона горения

В модулях TAPS основной поток бедное предварительно перемешанной смеси образуется в зоне 3 вокруг центральной пилотной зоны 5, где стабильность горения поддерживается за счет сформированных зон рециркуляции, как показано на рис. 2.6.7.

Камеры сгорания с подобной организацией рабочего процесса также называют системами с прямым впрыском и ступенчатой подачей топлива. Дальнейшее развитие малоэмиссионных технологий связано с внедрением инновационных типов смесителей, новых микромиксерных схем и устройств активной стабилизации пламени.