Анализ и расчёт конструктивных характеристик форсажных камер сгорания

1. Сопоставление расчётных и измеренных характеристик ФКС. Процесс моделирования и газодинамического расчёта форсажной камеры сгорания (ФКС) основан на решении комплексной системы уравнений газовой динамики и тепломассообмена. Оценка точности применяемых вычислительных моделей и используемых алгоритмов проводится путём сравнения расчётных параметров с экспериментальными данными, полученными при стендовых испытаниях полноразмерных авиационных двигателей или их автономных отсеков.

Ключевыми критериями адекватности математической модели выступают полнота сгорания топлива в критическом сечении сопла, а также температурные поля структурных элементов конструкции — корпуса и регулируемых створок реактивного сопла.

Табл. 2.6.2. Сравнение экспериментальных и теоретических параметров форсажной камеры сгорания

Основная задача термогазодинамического расчёта заключается в предотвращении подсоса продуктов сгорания в тракты охлаждения, обеспечении допустимого температурного состояния стенок и определении необходимого расхода хладагента на выходе из проточного тракта. Эти данные впоследствии интегрируются в специализированную программу расчёта температурных полей створок регулируемого реактивного сопла.

Анализ результатов, приведенных в табл. 2.6.2, показывает высокое соответствие математического моделирования и натурного эксперимента при испытаниях опытных ФКС. Незначительные отклонения в пределах 1–2% подтверждают достаточную адекватность применяемых гидрогазодинамических моделей.

Все характеристики ФКС находятся в строгой функциональной взаимосвязи. В частности, увеличение отбора воздуха в тракт охлаждения G_охл вызывает обогащение топливовоздушной смеси в рабочей зоне горения, что оказывает прямое влияние на локальную и общую полноту сгорания. Ввиду нелинейного характера данных связей численные расчёты ФКС реализуются методом последовательных приближений (итерационных циклов).

2. Конструктивные особенности и компоновочные схемы ФКС. Конструкция форсажной камеры сгорания состоит из ключевых функциональных узлов: входного диффузорного участка, форсажной трубы и реактивного сопла. Входной диффузор примыкает к турбине низкого давления (ТНД), а за форсажной трубой непосредственно размещается сопло двигателя (см. рис. 2.6.16).

По функционально-тепловому признаку узлы и детали ФКС разделяются на элементы «холодной» и «горячей» частей.

2.1. Элементы «холодной» части ФКС. В двухконтурных турбореактивных двигателях с форсажной камерой (ТРДДФ) «холодная» часть включает в себя:

· Затурбинный диффузор, образованный внешней обечайкой 1 (разделителем потоков), являющейся продолжением корпуса газогенератора двигателя, и центральным телом 5 (обтекателем турбины, или коком);

· Внешний корпус 4, образующий совместно с разделителем продолжение канала вентиляторного контура, коаксиального затурбинному диффузору;

· Смесительный диффузор за оконечностью разделителя, где поток вентиляторного воздуха сливается и начинает смешиваться с потоком затурбинного газа (смесительный диффузор от сечения смешения потоков до стабилизаторов пламени во фронтовом устройстве иногда включает и концевой участок кока);

· Находящиеся в затурбинном диффузоре стойки обтекаемой формы, с помощью которых кок крепится к корпусу или разделителю;

· Фронтовое устройство 3, состоящее из системы стабилизаторов пламени и коллекторов топливных форсунок, подвешиваемое к корпусу (иногда и к коку) с помощью тяг с шарнирами;

· Насадки с термопарами, обеспечивающие в системе автоматического управления (САУ) двигателя контроль уровня температуры газа за турбиной;

· Пусковые устройства 2 для воспламенения топливовоздушной смеси в ФКС при включении форсажного режима.

Продольные профили кока, внешнего корпуса и разделителя рассчитываются исходя из условий минимизации потерь полного давления при торможении затурбинного потока и согласования скоростей потоков вентиляторного воздуха и газа в сечении смешения. Отношение площадей вентиляторного и затурбинного потоков в указанном сечении μF_II/μF_I увязывается в процессе расчёта характеристик двигателя.

В одноконтурных турбореактивных двигателях с форсажем (ТРДФ) «холодная» часть представляет собой образованный внешним корпусом и коком затурбинный диффузор со стойками, термопарами САУ, фронтовым и пусковыми устройствами.

Большинство элементов «холодной» части находится в контакте с затурбинным газом, температура которого может достигать 1250 К (и в перспективе будет повышаться), что определяет выбор конструкционных материалов. При этом необходимо учитывать, что на форсаже элементы дополнительно нагреваются излучением от пламени. Наиболее жаростойкие материалы используют для стабилизаторов, которые, помимо всего прочего, контактируют с высокотемпературными продуктами горения, циркулирующими в донной области.

2.2. Элементы «горячей» части ФКС. «Горячая» часть ФКС включает:
- Внешний корпус двигателя;
- Подвешенный к нему с внутренней стороны теплозащитный экран 6 (см. рис. 2.6.16).

Через корпус и экран в зону горения могут быть введены датчики, связанные с САУ и сигнализирующие о появлении пламени в процессе включения форсажа.

Цилиндрический корпус на участке перед соплом обычно переходит в конический, чтобы уменьшить диаметр входа в сопло и, тем самым, длину и ход дозвуковых створок. На внешней поверхности корпус может иметь элементы, обеспечивающие подвеску двигателя и крепление элементов системы управления соплом. Иногда на «горячей» части имеет место излом оси двигателя (на несколько градусов) для оптимизации компоновки двигателя на самолете по вектору тяги.

Конструкционный материал для экрана (в ТРДФ и для корпуса) выбирается из наиболее жаростойких и жаропрочных. В ТРДДФ, где относительно холодный вентиляторный воздух позволяет поддерживать температуру экрана на достаточно низком уровне, для корпуса при определенных условиях можно использовать титан для уменьшения массы ФКС и двигателя в целом.

3. Газодинамика и профилирование элементов ФКС. 3.1. Профилирование центрального тела (кока)

Кок профилируется таким образом, чтобы обеспечить безотрывный характер течения во входном диффузоре ФКС. Для этого приведенный угол наклона стенки диффузора не должен превышать 10°. Поскольку общая степень диффузорности обычно достаточно велика (1,5…2), а длину «холодного» участка стараются жестко ограничить, выдержать требуемые углы, как правило, не удается.

В результате кок или выполняют с тупым срезом, т.е. с донным отрывом потока, который можно использовать при организации стабилизации пламени, или рассчитывают на «подпор» диффузора фронтовым устройством (в этом случае отрывы потока от стенки кока, если они все же возникают, стараются локализовать так, чтобы в них не могло попадать форсажное топливо).

Рост температуры газа за турбиной обусловливает необходимость охлаждения стенки кока, продувая его внутреннюю полость воздухом, поступающим из системы охлаждения турбины и/или из второго контура через затурбинные стойки. Эту полость можно использовать и как элемент системы подавления вибрационного горения в ФКС (сделав из нее акустический резонатор).

Стойки в затурбинном диффузоре при наличии в турбине задней опоры используют как силовые элементы. Они служат также для частичного спрямления потока, имеющего после турбины остаточную закрутку.

Разделитель потоков (в ТРДФ — внешний корпус) профилируется, как и кок, под безотрывное течение в диффузоре (при этом учитывается наличие стоек). Кроме того, профили разделителя и внешнего корпуса в ТРДДФ обеспечивают расчетное значение площадей потоков в сечении смешения μF_II/μF_I.

В перспективных ТРДДФ при малой степени двухконтурности можно ожидать, что практически весь воздух второго контура будет отбираться для охлаждения корпуса ФКС и створок сопла. Тогда разделитель конструкционно переходит в тепловой экран.

3.2. Конструктивные типы смесителей. Смеситель, концевой участок разделителя специальной формы, может быть того же типа, что и смесители в ТРДД гражданских ЛА, так называемые лепестковые 3 или «карманные» смесители с более или менее развитыми гофрами (рис. 2.6.19, а). Иногда он имеет форму гладких или ступенчатых обечаек с прорезями или щелями или отверстиями (рис. 2.6.19, б).

Рис. 2.6.19. Схемы «холодного» участка форсажной камеры: a — с лепестковым смесителем; б — с щелевым смесителем; 1 — радиально-кольцевой стабилизатор пламени; 2 — радиальный коллектор форсунок; 3 — лепестковый смеситель; 4 — кок; 5 — силовой элемент задней опоры; 6 — смесительный диффузор; 7 — кольцевой коллектор топливных форсунок; 8 — теплозащитный экран; 9 — кольцевой стабилизатор пламени; 10 — заключённые в обтекаемый кожух топливопроводы; 11 — щелевой смеситель (с продольными прорезями)

Взаимное расположение смесителя и теплозащитного экрана должно быть таким, чтобы в тракт охлаждения отбирался только вентиляторный воздух, так как попадание затурбинного газа снижает эффективность охлаждения. В принципе, смеситель может быть регулируемым, т.е. с изменением по полетным режимам выходных площадей потоков второго и первого контуров в целях оптимизации тягово-экономических характеристик двигателя.

4. Теплозащитные экраны и методы охладительного профилирования. Теплозащитный экран обычно состоит из нескольких секций, представляющих собой кольцевую оболочку, как правило, гофрированную поперечно или продольно для большей устойчивости и компенсации тепловых напряжений. Соответственно имеется ряд поясов крепления оболочек к корпусу, причем степень загромождения тракта элементами крепления является важным фактором для эффективности охлаждения, так как определяет распределение перепадов давлений на отверстиях в экране и расхода охладителя по его длине. Проходная площадь тракта в его выходном сечении должна быть фиксированной, так как этим определяется расход воздуха на создание защитной пелены на поверхности дозвуковых створок сопла.

В большинстве ФКС начальный участок тракта охлаждения используют для подавления виброгорения (высокочастотных колебаний давления). Крупные отверстия в экране на этом участке (до 5 мм диаметром, суммарная проницаемость порядка 0,05) и полость между экраном и корпусом образуют резонатор Гельмгольца, поглощающий часть акустической энергии.

Следующий участок экрана может быть непроницаемым, поскольку здесь трудно избежать отрицательных перепадов давлений на экране, а непроницаемость помогает избежать подсоса высокотемпературных продуктов горения в тракт охлаждения. На последующей части, где тепловыделение уже заметно понижает статическое давление в зоне горения и гарантирует положительные перепады давлений на экране, отверстия или щели в экране обязательны. Вдув охладителя через них образует на поверхности экрана защитную пелену, уменьшающую конвективный поток теплоты от зоны горения к экрану, а также снимает некоторое количество теплоты «изнутри» экрана, проходя по каналам, образованным отверстиями или щелями.

Результирующая температура экрана определяет не столько собственную прочность (оболочки экрана мало нагружены), сколько радиационный поток теплоты от экрана к корпусу. Корпус выдерживает значительные перепады давлений между ФКС и внешней средой, поэтому его температура должна быть ниже температуры экрана (особенно для корпуса из титана).

Эффективность теплозащиты экрана вдувом зависит от проницаемости экрана, которая по соображениям гидравлики не превышает 0,02, и от плотности расположения отверстий, т.е. отверстия должны быть минимально возможного диаметра, что обеспечит их максимальное количество на 1 см² площади поверхности экрана. Внутренний теплосъем и эффективность защитной пелены могут быть увеличены, если отверстия сделать наклонными.

5. Системы стабилизации пламени и смесеобразования. 5.1. Геометрия и эшелонирование стабилизаторов. Стабилизаторы пламени во фронтовом устройстве обычно представляют собой систему кольцевых и радиальных элементов чаще всего уголкового профиля. Элементы связаны конструкционно таким образом, чтобы отрывные (циркуляционные) зоны потока за ними сообщались (для обеспечения переброски пламени при запуске). Стабилизаторы редко располагают в одном сечении. С целью уменьшения потерь полного давления радиальные элементы устанавливают наклонно, что позволяет разнести стабилизаторы по длине (эшелонирование).

В любом случае расположение стабилизаторов в системе должно быть таким, чтобы обеспечивалось перекрытие сечения камеры распространяющимися от стабилизаторов фронтами пламени. Если смыкание фронтов происходит в одном и том же сечении и на минимальном удалении от системы стабилизаторов, то создаются предпосылки для достижения к выходному сечению наибольшей полноты сгорания топлива.

Подобным образом выполнены системы стабилизаторов большинства ФКС. Иногда опорный элемент в системе выполняют в виде кольцевой камеры сгорания типа основной (форкамера с поперечным размером до 100 мм) с отбором воздуха из набегающего потока и с отдельным подводом топлива. Форкамера может иметь входной диффузор для торможения потока, завихрительные головки, боковой вдув струй воздуха и т.д. Завихрительные головки могут использоваться и как элементы уголкового стабилизатора. В одном из опытных ТРДФ мощная отрывная зона за «аэродинамическим» стабилизатором (установленным на оси ФКС) формировалась вдувом веерной струи высоконапорного воздуха, отобранного из компрессора.

В первоначальном варианте ТРДДФ F100 фирмы Pratt & Whitney стабилизатор (периферийный в системе) представлял собой кольцевую трубку с аналогичным выдувом из отверстий тангенциальных струй.

Подача некоторого количества топлива (или горючей смеси) непосредственно в стабилизатор применяется не только для форкамер или аэродинамических стабилизаторов (здесь топливо подается заранее в высоконапорный воздух), но и как средство обеспечения требуемых пределов стабилизации пламени во многих ФКС с обычными уголковыми стабилизаторами (через отверстия в передней стенке, с помощью внутренних форсунок, коллекторов и др.).

5.2. Форсуночные коллекторы и динамика распыла. Коллекторы 2 форсунок подают форсажное топливо в поток перед стабилизаторами пламени 1 (см. рис. 2.6.19). Небольшая часть топлива может подаваться в стабилизаторы, в некоторых двигателях часть топлива в ФКС подавалась ниже по потоку от стабилизаторов, со стенки через тепловой экран.

Классические центробежные (или шнековые) форсунки, впрыскивающие топливо навстречу потоку (β = 180⁰) или иногда по потоку (β = 0⁰), применялись только в ФКС первых поколений. Их сменили простые струйные форсунки, отверстия в трубке-коллекторе с тангенциальным впрыском (β = 90⁰), хотя углы впрыска β = 135⁰, 180⁰ и даже 0⁰ также встречаются.

Переход на струйные форсунки обусловлен необходимостью иметь максимально возможное количество точек подвода топлива для более равномерного его распределения по сечению (что создает предпосылки для достижения высокой полноты сгорания). Так как в таких форсунках мелкость распыления топлива при малых его расходах неудовлетворительная, предпринимались попытки решить эту проблему усложнением конструкции коллекторов и форсунок.

В ряде ТРДДФ перед струйными форсунками (β = 180⁰ или 0⁰ установлены пластины-отражатели, при соударении с которыми даже малоскоростная топливная струя должна эффективно разбрызгиваться. В ТРДДФ F100 кольцевые коллекторы деформируемые: с ростом давления топлива деформация оболочки коллектора увеличивает проходное сечение отверстия-форсунки, а следовательно, ее расходность, что позволяет сохранять при малых расходах топлива приемлемые перепады давлений и мелкость распыления.

Геометрию коллекторов обычно согласуют с геометрией стабилизаторов. Распространение получили как кольцевые коллекторы, так и радиальные (инжекторы или распылители, они могут устанавливаться и наклонно), сочетающиеся и с радиальными, и с кольцевыми стабилизаторами пламени. Радиальные распылители могут вводиться в ФКС через внешнюю стенку диффузора, и в этих случаях они объединяются наружным кольцевым коллектором, но могут также быть радиальными отростками, отходящими от внутреннего кольцевого коллектора (внутренний кольцевой коллектор имеет один или два подвода топлива, пропускаемых через стенку диффузора).

6. Системы зажигания и пусковые устройства. Для воспламенения топливовоздушной смеси в ФКС часто используют электрический разряд, создаваемый в циркуляционной зоне за срезом стабилизатора (или в полости форкамеры в соответствующих вариантах фронтовых устройств) с помощью электрода свечи 2 (см. рис. 2.6.16), пропускаемого извне через корпус и тепловой экран.

В ФКС ранних поколений в циркуляционную зону с помощью патрубка подводился пусковой факел пламени из внешней малогабаритной камеры сгорания, имевшей автономное питание воздухом и топливом, а также электрическую свечу. Существовали компоновки с размещением пусковой камеры в днище кока, а также в составе фронтового устройства. В одном из ТРДДФ для воспламенения смеси использованы две малогабаритные каталитические камеры в составе фронтового устройства ФКС, каждая со своей форсункой и отбором воздуха из набегающего потока.

Широкое распространение получила система, называемая «огневой дорожкой». ФКС при этом может не содержать никаких элементов данной системы (кроме датчика пламени), если «огневая дорожка» создается факелом распыленного топлива от единственной форсунки, расположенной перед турбиной двигателя (на выходе из основной камеры сгорания), или содержит в затурбинном диффузоре вторичную форсунку, обеспечивающую подпитку «огневой дорожки» дополнительным топливом.