Элементы и конструкции основных камер сгорания ГТД

В конструктивной схеме газотурбинного двигателя (ГТД) камера сгорания выполняет функцию обеспечения устойчивого сжигания топливовоздушной смеси и формирования потока газа с заданными параметрами. Эффективность работы камеры сгорания напрямую определяется ее ключевыми элементами: диффузором, фронтовым устройством, топливными форсунками и системой охлаждения жаровой трубы.

1. Диффузоры камер сгорания. На выходе из компрессора приведенная скорость потока составляет λ_к = 0,25…0,35. Диффузоры позволяют уменьшить скорость воздуха, поступающего в камеру сгорания, и снизить потери полного давления до приемлемого уровня.

Для оценки общих характеристик двигателя распределение потерь между диффузором и жаровой трубой не имеет значения. Однако для камеры сгорания это важно, так как потери давления в диффузоре представляют собой прямые потери энергии, тогда как перепад давлений на стенке жаровой трубы преобразуется в энергию турбулентного движения, которая реализуется в процессах смесеобразования, горения и формирования поля температуры газа.

При проектировании камеры необходимо стремиться к тому, чтобы отведенные для камеры потери полного давления в основном реализовывались на стенках жаровой трубы, а диффузорные потери были минимальными.

Диффузоры должны создавать равномерное устойчивое поле скоростей перед жаровой трубой. Кольцевые диффузоры проектируют двух принципиально различных типов (как показано на рис. 2.6.8):

1. Безотрывными, хотя и относительно длинными, обеспечивающими максимальную степень преобразования скоростного напора в давление;
2. С внезапным расширением — короткими.

Рис. 2.6.8. Схемы камер сгорания с разными диффузорами: a — плавным (безотрывным); б — с внезапным расширением; 1 — диффузор; 2 — жаровая труба; 3 — пусковой воспламенитель; 4 — лопаточный завихритель

Сравнительный анализ безотрывных диффузоров и диффузоров с внезапным расширением. Диффузор с внезапным расширением значительно короче безотрывного, менее чувствителен к изменению поля скоростей на выходе из компрессора и характеризуется умеренной величиной потерь полного давления. В последнее время предпочтение отдается диффузорам такого типа.

Геометрические параметры безотрывной части диффузора (диффузорного патрубка) определяются величиной λ_к, допустимой ее длиной l_g, отношением проходных площадей на выходе из диффузорного патрубка и на входе, которое не должно превышать 1,4…1,7.

После внезапного расширения поток воздуха попадает в широкую полость перед жаровой трубой. Зоны циркуляции, возникающие между наружной и внутренней стенками корпуса камеры и выходными кромками диффузорного патрубка, способствуют устойчивому распределению воздуха вокруг жаровой трубы. На этом участке камеры сгорания в основном и происходит уменьшение полного давления, которое связывают с срывным диффузором. По этой причине короткий диффузорный патрубок иногда называют преддиффузором.

Так как потери полного давления в диффузорах камер сгорания пропорциональны λₖ², то снижение λₖ, например от 0,35 до 0,3, приводит к уменьшению коэффициента потерь полного давления в диффузоре примерно от 3,5 до 2,5%. Известно также, что расположение жаровой трубы относительно диффузора, форма фронтового устройства, разделители потока, устанавливаемые в диффузоре, влияют на потери полного давления.

Лопаточные диффузоры и спрямляющие аппараты после центробежных компрессоров должны не только уменьшать скорость воздушного потока, но и устранять его закрутку.

2. Фронтовые устройства и топливные форсунки. Фронтовое устройство определяет требуемую газодинамическую структуру течения в первичной зоне горения. Оно должно обеспечить мелкодисперсное распыливание топлива, его смешение с воздухом в нужной концентрации, надежную стабилизацию пламени на всех режимах работы двигателя.

В состав фронтового устройства входят форсунки, смесители (как правило, лопаточные и струйные завихрители воздуха), жаростойкие экраны. Завихрители воздуха используются не только для предварительного смешения топлива с воздухом, но и для образования зон обратных токов, необходимых для обеспечения надежного воспламенения новых порций свежей смеси. По этой причине многие характеристики камеры, в том числе пусковые, диапазон устойчивого горения, склонность к дымлению, уровень выбросов вредных веществ, определяются выбором оптимального фронтового устройства.

Чрезвычайно важное влияние на характеристики камеры ГТД оказывают процессы распыливания и испарения жидкого топлива. Для быстрого испарения не обладающего большой летучестью авиационного керосина его необходимо распыливать на мелкие капли для увеличения площади поверхности испарения и подогрева.

Центробежные форсунки. Наиболее распространен метод механического распыливания топлива центробежными форсунками под большим перепадом давлений (как показано на рис. 2.6.9). При проектировании камеры сгорания определяется угол раскрытия факела распыленного топлива, в соответствии с которым компонуются другие элементы: воздушные завихрители, разделители потока, расстояния между форсунками и т. д.

Основная задача топливоподачи состоит в обеспечении хорошего распыливания в широком диапазоне изменения расходов топлива. Так, для современных двигателей максимальный расход топлива превышает минимальный в 40 раз и более. Одноступенчатая (одноканальная) центробежная форсунка не может обеспечить такой диапазон изменения расхода (расход пропорционален корню квадратному из перепада давлений на форсунке).

Рис. 2.6.9. Схемы распыливания (а) и центробежной форсунки (б) [18]: 1 — камера закручивания; 2 — сопло; 3 — жидкая пленка, рвущаяся на капли; 4 — тангенциальные каналы подвода топлива

Двухсопловые форсунки. В этих форсунках концентрично соплу 2 меньшего диаметра располагается кольцевое сопло 3, рассчитанное на большой расход (как показано на рис. 2.6.10). При небольших расходах топливо подается только через центральное (пусковое) сопло 2. При увеличении расхода топлива давление перед форсункой возрастает, и при некотором давлении открывается клапан 1, после чего топливо начинает поступать также через основное наружное сопло 3.

Рис. 2.6.10. Двухсопловая форсунка: а — принципиальная схема [18]; б — конструктивная схема; 1 — распределительный клапан; 2 — внутреннее сопло; 3 — наружное сопло; 4 — канал подачи топлива в центральное сопло; 5 — канал подачи топлива в наружное кольцевое сопло; 6 — противонагарный стакан; 7 — пробка

Таким образом, при относительно умеренных давлениях подачи обеспечивается удовлетворительное распыливание топлива в широком диапазоне изменения его расходов. Форсунку обычно проектируют так, чтобы угол конуса основного факела был чуть меньше угла топливного факела пусковой ступени. Это позволяет при открытии клапана основной ступени, когда условия для распыливания основного топлива наихудшие, использовать для лучшего его дробления часть кинетической энергии струй пусковой ступени.

Преимущества и недостатки двухсопловых центробежных форсунок:
- Достоинства: способность поддерживать процесс горения очень бедных смесей.
- Недостатки: возможность засорения узких форсуночных каналов, склонность к сажеобразованию при высоких давлениях в камере сгорания, а также зависимость угла раскрытия факела от давления газа в камере сгорания.

Чтобы в какой-то степени уменьшить эти недостатки, к механическому распыливанию добавляется распыливание топлива воздушным потоком.

Пневматические форсунки. Принцип действия пневматической форсунки состоит в том, что кинетическая энергия потока воздуха, испытывающего ускорение в каналах форсунки из-за существующего на фронтовом устройстве перепада давлений, тратится на дробление пленки или струй топлива на капли (как показано на рис. 2.6.11). В большинстве применяемых форсунок топливо подается при низком перепаде давлений на поверхность распыливания 1, край которой обдувается высокоскоростным потоком воздуха. Топливо, стекающее с этой кромки, дробится. Размеры капель тем меньше, чем совершеннее контакт между жидкой пленкой и потоком воздуха. Наибольший эффект достигается при обдуве воздухом кромки с обеих сторон.

Рис. 2.6.11. Схемы форсунок с пневматическим распыливанием [30]: а — с простой струей в спутном высокоскоростном потоке воздуха; б — с простыми струями в закрученном потоке воздуха; в — с предварительным созданием пленки; 1 — поверхность, на которой образуется пленка топлива; 2 — кромка, с которой происходит распыливание топлива; 3 — конус, отклоняющий поток воздуха к пленке; I — воздух; II — топливо

Принцип пневматического распыливания топлива часто применяется в смесительных устройствах, состоящих из топливной форсунки (центробежной или пневматической) и воздушных завихрителей, которые конструируются таким образом, что распыливаемое форсункой топливо частично (наиболее крупные капли) оседает на поверхности разделительных корпусов двух- или трехярусных завихрителей, образует на них пленку, затем срывается с них потоками закрученного воздуха и повторно распыливается на более мелкие капли. Это позволяет уменьшить появление переобогащенных топливом зон, устранить появление нагара, снизить дымление камер и т.д.

Недостатком пневматических форсунок является их низкое качество распыливания при запуске вследствие малой скорости и плотности потока воздуха на этом режиме. Пневматическую форсунку можно сочетать с пусковой центробежной. Однако в большинстве случаев проблему запуска камеры сгорания удается решить с помощью усовершенствования пневматической форсунки более рациональным использованием распыливающего воздуха и увеличением его расхода.

3. Испарительные и альтернативные системы топливоподачи. Испарительная система топлива предназначена для подготовки жидкого топлива к сгоранию путем предварительного его нагрева до уровня температур кипения тяжелых углеводородов, входящих в его состав, и испарения топлива. В испарительной системе жидкое топливо вместе с воздухом вводится в камеру через трубки, находящиеся во фронте пламени. Топливовоздушная смесь нагревается от горячих стенок трубки и вытекает из нее в виде топливовоздушной частично испаренной смеси. Такая система подачи топлива использована в двигателях Олимп 593 на сверхзвуковом пассажирском самолете Конкорд [37].

Следует отметить, что термин «испарительная система» по сути не соответствует действительности, так как из-за низкого теплоподвода к трубкам в них испаряется не более 15% топлива.

При запуске камеры, когда топливо не испаряется, для поджигания смеси применяется воспламенитель, а в ряде случаев — пусковые центробежные форсунки.

4. Конструкция и методы охлаждения стенок жаровой трубы. Конструкция стенок жаровой трубы изменялась по мере возрастания теплонапряженности камер сгорания, но на всех этапах развития требования к ней были одни и те же: достаточная жесткость, выдерживающая различные механические нагрузки; высокая сопротивляемость к стационарным и циклическим воздействиям высокотемпературных продуктов сгорания.

В начальной стадии развития ГТД, когда температура и давление воздуха на входе в камеру сгорания были достаточно низкими, применялось конвективное охлаждение стенок жаровых труб воздухом только снаружи. Для интенсификации процесса охлаждения на стенке фрезеровались продольные ребра.

По мере возрастания режимных параметров начали применять конвективно-пленочное охлаждение стенок (как показано на рис. 2.6.12). Этот способ охлаждения оказался настолько эффективным, что до сих пор широко используется в камерах сгорания различного назначения. С ростом давления и температуры воздуха стенки жаровой трубы стали изготавливать из более жаростойких и жаропрочных материалов (хромоникелевой стали, никелевых сплавов).

Рис. 2.6.12. Способы конвективно-пленочного охлаждения стенки жаровой трубы: а — перекрывающиеся секции с дозирующими отверстиями; б — перекрывающиеся секции с гофрированной лентой; в — точеные секции с дозирующими отверстиями; г — двойная перфорированная стенка; I — горячий газ; II — охлаждающий воздух

Способы реализации пленочного и конвективного охлаждения. Сначала конструкция жаровой трубы состояла из сварных перекрывающихся колец (секций), в перекрытиях которых были организованы отверстия (или щели) для организации пленочного охлаждения. Существуют два широко распространенных способа дозирования охлаждающего воздуха на этих участках жаровой трубы:
- С помощью просверленных отверстий;
- С помощью гофрированной ленты, приваренной между секциями.

С внедрением кольцевых камер сгорания большого диаметра стали применять более жесткие точеные секции с дозирующими отверстиями. В узлах подвода охлаждающего воздуха вытачиваются козырьки, с помощью которых создается хорошая завеса охладителя около стенки со стороны продуктов сгорания. Разновидностью конвективно-пленочного охлаждения является охлаждение, реализуемое с помощью частых мелких отверстий стенок жаровой трубы.

Современные высокоэффективные конструкции охлаждения. Более эффективное охлаждение обеспечивают пористые конструкции стенки жаровой трубы типа ламиллой. Как и в предыдущем случае, воздух, проходя через такую стенку, охлаждает ее, а на выходе образует теплозащитную завесу.

Для высокотемпературных камер сгорания, когда на охлаждение стенок выделяется не более 20% общего расхода воздуха через камеру, применяется двухстенная конструкция жаровой трубы. Располагаемый перепад давлений на стенках (2…3% общего давления в камере сгорания) используется для интенсификации конвективной составляющей охлаждения.

Выполнение «горячей» стенки жаровой трубы в виде отдельных сегментов позволяет решить проблему температурной развязки двухстенной конструкции.