Форсажные камеры сгорания ТРД: рабочий процесс и устройство

Форсажная камера сгорания (ФКС) — это конструктивный элемент турбореактивного двигателя (ТРД), предназначенный для кратковременного существенного увеличения тяги двигателя на режиме форсажа. Принцип действия ФКС заключается в сжигании дополнительного количества топлива в газовом потоке за турбиной. Это вызывает резкое повышение температуры газа и рабочей скорости его истечения из реактивного сопла, что приводит к многократному росту суммарной тяги силовой установки.

Требования к ФКС и тенденции их развития. Требования, предъявляемые к форсажным камерам сгорания, зависят от типа и оперативно-тактического назначения самолета. Применительно к маневренной авиации ФКС должна надежно функционировать во всей эксплуатационной области полета.

Ключевые эксплуатационные требования:
- Надежный запуск и устойчивое горение рабочей смеси без срывов пламени и газодинамических пульсаций давления во всем диапазоне высот и скоростей;
- Максимальная полнота использования свободного кислорода, содержащегося в затурбинном газе;
- Плавность управления тягой — возможность бесступенчатого перехода от бесфорсажного режима до режима максимального форсажа (что в турбореактивных двухконтурных двигателях с достаточно большой двухконтурностью дает почти двухкратное увеличение тяги);
- Компактность и малая масса конструкции при рабочих температурах продуктов сгорания, превышающих 2000 К.

Рис. 2.6.15. Изменение по годам длины L «горячей» части ФКС отечественных (⚪ △) и зарубежных (⚫ ▲) двигателей

На рис. 2.6.15 показано историческое изменение длины L «горячей» части ФКС (зоны, где полнота сгорания топлива возрастает от нуля до конечного значения порядка 90%) для маневренных самолетов различной размерности. На протяжении последней четверти XX века отечественные ФКС существенно превосходили зарубежные аналоги по этому важнейшему габаритно-массовому показателю.

Конструктивная схема и организация рабочего процесса. При всем многообразии конструктивных решений общая схема ФКС остается однотипной. В поток рабочего тела внутри корпуса между выходом из турбины и входом в реактивное сопло через форсунки подается топливо. Посредством пускового устройства осуществляется воспламенение образовавшейся топливовоздушной смеси, а стабилизация зоны горения в высокоскоростном потоке обеспечивается специальным фронтовым устройством. Для элементов конструкции, находящихся в контакте с высокотемпературными продуктами сгорания, предусмотрена система охлаждения.

Проточная часть ФКС разделяется на два основных участка:
1. «Холодный» участок (I): от выхода из турбины до фронтового устройства.
2. «Горячий» участок (II): от фронтового устройства до входа в реактивное сопло.

Рис. 2.6.16. Схема форсажной камеры сгорания ТРДДФ: 1 — разделитель потоков в форсажной камере; 2 — электрическая свеча зажигания; 3 — фронтовое устройство; 4 — корпус форсажной камеры; 5 — кок; 6 — теплозащитный экран; 7 — сопло двигателя; I, II — «холодная» и «горячая» части ФКС

Особенности протекания процесса в ТРДФ и ТРДДФ. В турбореактивных двигателях с форсажной камерой (ТРДФ) конструктивная схема упрощена за счет отсутствия элементов, связанных с подводом воздуха из вентиляторного контура.

В турбореактивных двухконтурных двигателях с форсажной камерой (ТРДДФ) малого коэффициента двухконтурности сжигание форсажного топлива осуществляется в затурбинном потоке с подводом воздуха вентиляторного контура для охлаждения корпуса и сопла. Схема с сжиганием топлива исключительно в канале вентиляторного контура практического применения не получила.

Физика процессов в «холодной» и «горячей» зонах. На «холодном» участке происходит диффузорное торможение потока затурбинного газа до скоростей, обеспечивающих устойчивое сжигание топлива без чрезмерных потерь кинетической энергии и «теплового кризиса». В ТРДДФ на этом участке организуется подмешивание части вентиляторного воздуха к затурбинному газу до фронтового устройства. Это повышает концентрацию кислорода и снижает негативное влияние пониженной температуры газа на устойчивость горения. Для интенсификации смешения концевой участок разделяющей обечайки выполняется гофрированным (смеситель).

В фронтовом устройстве производятся впрыск и воспламенение топлива, а также создаются срывные зоны для стабилизации пламени.

Обязательным элементом «горячего» участка является теплозащитный экран. Он защищает внешний корпус от прямого контакта с высокотемпературными продуктами сгорания. По кольцевому каналу между экраном и корпусом в ТРДДФ продувается вентиляторный воздух (в ТРДФ — затурбинный газ). Выходящий из тракта охлаждения поток формирует защитную заградительную пелену на регулируемых створках реактивного сопла.