Основные элементы камеры сгорания газотурбинного двигателя

Введение

 

Дальнейшее развитие газотурбинных двигателей (ГТД), надёжность, экономичность их работы в значительной степени зависит от совершенства конструкции и правильной организации рабочего процесса в высокофорсиванных камерах сгорания, являющихся одним из основных элементов ГТД.

Рациональность конструкции камеры сгорания определяется тем, насколько успешно в ней организовано устойчивое, высокоэффективное сгорание топлива при небольших потерях полного напора, равномерной температуре газа на выходе, небольших размерах и весе, а также высокой надежностью и долговечностью работы.

В связи со сложностью внутрикамерных процессов, в настоящее время отсутствуют законченные методики расчета характеристик и конструктивного облика камеры сгорания. Поэтому, при проектировании максимально используют опыт проектирования и доводки предшествующих образцов, проводится значительный объем экспериментально-доводочных работ, как на модельных двигателях, так и в системе двигателя. Непрерывное усложнение конструкции и соответственно повышение стоимости экспериментальных исследований вынуждает все большее внимание уделять моделированию процессов и внедрению элементов автоматизированного проектирования камер сгорания. В настоящее время имеется ряд работ, посвященных этому вопросу, к сожалению они касаются только отдельных аспектов сложных процессов и не позволяют установить в полной мере связь между входными и выходными параметрами и непосредственно с конструкцией элементов камеры сгорания. Поэтому, несмотря на большое количество исследований в этой области, возникают существенные трудности в практическом использовании полученных результатов исследований. В то же время существуют традиционные методы проектирования, основанные на использовании имеющегося опыта и статистического материала, которые позволяют провести предварительные расчеты. Очевидно, что расширение и углубление экспериментально-теоретических исследований внутрикамерных процессов, систематизация различных подходов, а также использование статистического материала в виде банка данных позволит при надлежащем математическом и программном обеспечении получить методы расчета камер сгорания, пригодные к использованию в системах автоматизированного проектирования двигателей.

1. Основы рабочего процесса и требования, предъявляемые
к камерам сгорания.

 

Основное назначение камеры сгорания - повышение температуры рабочего тела двигателя за счет освобождения химической энергии при сжигании топлива. В настоящее время наблюдается стремление непрерывного повышения подогрева в основных камерах сгорания с целью значительного улучшения удельных и общих показателей двигателей в целом. Допустимая температура газов на выходе из основной камеры сгорания превышает Т_г= 1400...1500 К, что соответствует общему коэффициенту избытка воздуха a=2...3, который имеет тенденцию к постепенному приближению к стехиометриии.

Основная камера сгорания во входной части имеет диффузор, в котором снижается скорость и повышается статическое давление. Головная часть жаровой трубы делит весь воздух на первичный, поступающий через фронтовое устройство, и вторичный, поступающий через отверстия в жаровой трубе. Фронтовое устройство создает определенную структуру потока в передней части жаровой трубы, обеспечивающую смесеобразование, стабилизацию пламени и предопределяет эффективный ход выгорания смеси.

Согласно многочисленным данным в исследованиях весь объем жаровой трубы условно разделяется на три основных зоны: первичная зона - здесь обеспечивается качественная подготовка топливовоздушной смеси, ее воспламенение и устойчивое горение; зона догорания или промежуточная зона - здесь происходит взаимодействие потока с поперечными струями первого ряда отверстий и догорание топлива до максимально возможного уровня и зона смешения - в ней происходит снижение температуры газов до необходимого уровня и формирование профилей температур перед турбиной (рис.1).

Струи вторичного воздуха, втекающие через ряд отверстий, как правило, участвуют в процессе догорания основной массы топлива, а также, за счет эжекции части этого воздуха в зону обратных течений (ЗОТ), фронтового устройства, могут повлиять на структуру течения, процессы смесеобразования и условия стабилизации пламени. Воздух, втекающий через последующие ряды отверстий жаровой трубы в основном обеспечивает формирование необходимого поля температур и скоростей на выходе из камеры и практически не оказывает влияния на выгорание и стабилизацию пламени.

 

Особенности конструкций камер сгорания ГТД.

 

По мере развития ГТД конструкция камер сгорания непрерывно совершенствуется. Многие элементы камер сгорания имеют строго индивидуальные особенности, к ним можно отнести конструкцию фронтового устройства, топливных форсунок, тип воспламенителей и распределение отверстий подвода вторичного воздуха в жаровой трубе.

Дальнейшее совершенствование конструкции камер сгорания в настоящее время обусловлено необходимостью снижения выбросов вредных веществ, требованием высокой надежности, долговечности и компактности. С этой целью создаются камеры сгорания с регулируемым расходом воздуха, с двухзонным горением и с использованием схемы снижения подготовленных «бедных» горючих смесей.

Схема и конкретный тип камеры сгорания определяются конструкцией двигателя. В полноразмерных авиационных двигателях применяются камеры сгорания прямоточной схемы. В малогабаритных двигателях больше не используются противоточные кольцевые камеры сгорания.

 

Кольцевые камеры сгорания

 

В ГТД наиболее широко применяются кольцевые и трубчато-кольцевые типы камер сгорания.

На рис.2.1 представлена схема кольцевой камеры сгорания высокотемпературного двигателя АЛ-31ф.

В данной камере сгорания преобладает перфорированная часть жаровой трубы, которая обеспечивает подвод охлаждающего вторичного воздуха. Для обеспечения процесса сгорания в жаровой трубе выполнены основные отверстия зоны горения, а для выравнивания температурных полей – два ряда отверстий смесителя. Фронтовое устройство выполнено в виде лопаточного завихрителя с трапециевидными выходными патрубками наружной втулки завихрителя.

Характерным представителем кольцевых камер является также камера сгорания двигателя НК-86, показанная на рис.2.2.

Камера сгорания включает наружный корпус 5, жаровую трубу 6, внутренний корпус 8 и два воспламенителя. Корпус камеры сгорания является силовой (несущей) частью двигателя и воспринимает силы и моменты, возникающие при работе двигателя. Основные узлы камеры сгорания изготовлены из жаростойкой стали.

Наружный корпус 5 камеры сгорания представляет собой сварной узел, основными деталями которого являются две оболочки и два крепежных фланца. Передним фланцем корпус камеры сгорания крепится к направляющему аппарату последней ступени компрессора, а задним к сопловому аппарату турбины. На корпусе камеры сгорания имеются

 

Камера сгорания двигателя высокотемпературного ТРДД

 

Рис.2.1

1 – фронтовое устройство; 2, 4 – отверстия для подвода воздуха в зону горения

3, 5 – отверстия для подвода воздуха в зону смешения

 

фланцы крепления фиксаторов камеры сгорания и воспламенителей, фланец подвода топлива, а также штуцера для замера параметров воздуха за компрессором. В нижней части корпуса камеры сгорания приварен дренажный бачок для слива несгоревшего топлива после вынужденной остановки двигателя. Внутренний корпус камеры сгорания состоит из кожуха 8 с двумя фланцами. Для повышения жесткости к кожуху приварены три усиливающих кольца 9.

 

 

Рис.2.2. Кольцевая камера сгорания двигателя НК-8.

 

Жаровая труба 6 – кольцевого типа, состоит из кольцевого блока форсунок 2, наружной и внутренней стенок. В головочной части жаровой трубы имеются воздухопроводящие отверстия 3. К наружной стенке приварены двенадцать втулок фиксаторов для подвески жаровой трубы. Подвеска жаровой трубы осуществляется фиксаторами 4, каждый из которых крепится к фланцу. На конусе фиксаторов впрессован сферический вкладыш, обеспечивающий температурное смещение головки жаровой трубы. Подвод топлива в камеру сгорания осуществляется через два контура 139-ю одноканальными форсунками центробежного типа. Форсунки расположены в общем кольцевом блоке равномерно в два ряда по окружности в шахматном порядке. По наружному ряду расположено 70 форсунок, из них 35 форсунок (через одну) предназначены для обеспечения работы 1-го контура, а остальные 35 – для работы 2-го контура. По внутреннему ряду расположены 69 форсунок только 2-го контура.

Наличие двух контуров подвода топлива обеспечивает плавное изменение расхода и качественный распыл топлива в широком диапазоне изменения работы двигателя.

Сжатый в компрессоре воздух поступает в диффузор, образованный стенками наружного и внутреннего корпусов, и обтекает жаровую трубу. Около 20% воздуха направляется в фигурные отверстия блока форсунок, закручивается в завихрителях форсунок и, перемешиваясь с распыленным топливом, поступает в зону горения жаровой трубы. Около 30% воздуха проходит через отверстия 3 кольцевой головки жаровой трубы. Топливо сгорает в промежутке между блоком форсунок и смесительными патрубками 7. Смесительные патрубки служат для подачи воздуха, идущего на снижение температуры горячих газов и создание необходимого температурного поля на выходе из камеры сгорания. Оставшаяся часть воздуха идет на охлаждение стенок жаровой трубы, колец и лопаток 1 ступени соплового аппарата турбины. Зажигание топливовоздушной смеси в камере сгорания двигателя производится двумя воспламенителями факельного типа, расположенными сверху на корпусе под углом 38⁰ вправо и влево от вертикальной оси двигателя.

 

Расчет на прочность кожуха

В камере сгорания наиболее нагруженной частью является кожух, который воспринимает избыточное давление поступающего в камеру воздуха и осевое усилие. В кольцевых и трубчато-кольцевых камерах кожух служит также силовым элементом двигателя и в зависимости от конструктивного выполнения может передавать радиальные и осевые усилия от подшипников, реактивный крутящий момент от соплового аппарата турбины и др. Из перечисленных сил основной нагрузкой для кожуха камеры является избыточное давление воздуха, максимальная расчетная величина которого соответствует условию работы двигателя у земли с максимальной скоростью полета в зимних условиях при температуре воздуха -40…-60 С⁰. Под влиянием внутреннего давления воздуха стенки наружного кожуха камеры испытывают напряжения растяжения, а во внутренних кожухах этих камер (если их внутренние полости сообщаются с атмосферой) давление воздуха приводит к появлению напряжений сжатия.

Напряжение растяжения в стенке наружного кожуха по сечению вдоль образующей определяется по формуле:

;

где, P₂ - давление за компрессором, Па; P_н - давление окружающего воздуха, Па; d - толщина стенки кожуха, м; D - максимальный диаметр кожуха, м.

Допустимые напряжения растяжения s_р= 100…120 МПа. Стенки кожуха камеры сгорания рассчитываются также на разрыв от действия осевых сил. Осевые силы, действующие на камеру сгорания, определяются как сумма приложенных к ней статических и динамических усилий. Для кольцевой и трубчато-кольцевой камеры сгорания (рис.2.8) осевая сила, действующая на внутреннюю поверхность, будет равна:

 

 

Рис.2.8. К определению усилий, действующих на камеру сгорания.

 

;

 

где, m - секундный расход газов, проходящих через камеру.

Остальные параметры и размеры, входящие данную в формулу, показаны на рис.2.8.

Зная осевую силу, действующую на стенку жаровой трубы, определяем напряжение по формуле:

;

где, D - диаметр кожуха камеры, м; d - толщина стенки кожуха, м.

Допустимые значения находятся в пределах s_р= 100…120 МПа.

 

Расчет фланцев

Фланцы для крепления элементов камеры рассчитываются на изгиб от осевой силы P_ос., определяемой по формуле п. 2.5.1. Зная суммарную силу P_ос., определяем силу, действующую на один болт:

;

где, z - число болтов.

Момент, изгибающий фланец:

;

Для расчетного сечения фланца – цилиндрической полоски диаметром (D-2b) и толщиной a - момент сопротивления изгибу может быть найден из соотношения:

;

и момент сопротивления изгиба:

;

 

 

 

Рис.2.9. К расчету фланца на изгиб.

 

Указанные в формулах размеры приведены на рис.2.9. Допускаемые напряжения для изгиба фланцев составляют s_u= 150…180МПа.

 

 

Расчет болтов

Будем считать, что болты, соединяющие отдельные секции камер, нагружены суммарной силой, тогда напряжение растяжения в болтах будет:

;

где, z – число болтов; d₁ – внутренний диаметр резьбы болта.

Допускаемые напряжения в болтах находятся в пределах s_р=150…180 МПа. Число болтов, соединяющих отдельные части камер для обеспечения равномерной затяжки, обычно выбирают четным. Расстояние между соседними болтами (шаг) при давлениях Р>10×10⁵ Па t=(5…7)d, а при давлениях Р>30×10⁵ Па – t=(2.5…4.0)d, где d – наружный диаметр болта.

Средний диаметр компрессора

, м.

где, втулочное соотношение последней ступени компрессора = 0,8...0,9.

Рис.6.3

 

Рис.6.4

 

Рис.6.5

 

 

 

Рис.6.6

 

 

Рис.6.7

 

Рис.6.8

 

 

Рис.6.9

 

 

Рис.6.10

 

 

Рис.6.11

 

 

Рис.6.12

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Проектирование авиационных газотурбинных двигателей. Под ред. А.М. Ахметзянова. М.: "Машиностроение", 2000 г., 453 с.

2. Мингазов Б.Г. Внутрикамерные и автоматизированная доводка камер сгорания ГТД. Казань, изд.-во КГТУ им. А.Н. Туполева, 2000 г., 167 с.

3. Талантов А.В. Горение в потоке. М.: "Машиностроение", 1978, 159 с.

4. Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД. М., "Мир", 1986, 566 с.

 

 

Введение

 

Дальнейшее развитие газотурбинных двигателей (ГТД), надёжность, экономичность их работы в значительной степени зависит от совершенства конструкции и правильной организации рабочего процесса в высокофорсиванных камерах сгорания, являющихся одним из основных элементов ГТД.

Рациональность конструкции камеры сгорания определяется тем, насколько успешно в ней организовано устойчивое, высокоэффективное сгорание топлива при небольших потерях полного напора, равномерной температуре газа на выходе, небольших размерах и весе, а также высокой надежностью и долговечностью работы.

В связи со сложностью внутрикамерных процессов, в настоящее время отсутствуют законченные методики расчета характеристик и конструктивного облика камеры сгорания. Поэтому, при проектировании максимально используют опыт проектирования и доводки предшествующих образцов, проводится значительный объем экспериментально-доводочных работ, как на модельных двигателях, так и в системе двигателя. Непрерывное усложнение конструкции и соответственно повышение стоимости экспериментальных исследований вынуждает все большее внимание уделять моделированию процессов и внедрению элементов автоматизированного проектирования камер сгорания. В настоящее время имеется ряд работ, посвященных этому вопросу, к сожалению они касаются только отдельных аспектов сложных процессов и не позволяют установить в полной мере связь между входными и выходными параметрами и непосредственно с конструкцией элементов камеры сгорания. Поэтому, несмотря на большое количество исследований в этой области, возникают существенные трудности в практическом использовании полученных результатов исследований. В то же время существуют традиционные методы проектирования, основанные на использовании имеющегося опыта и статистического материала, которые позволяют провести предварительные расчеты. Очевидно, что расширение и углубление экспериментально-теоретических исследований внутрикамерных процессов, систематизация различных подходов, а также использование статистического материала в виде банка данных позволит при надлежащем математическом и программном обеспечении получить методы расчета камер сгорания, пригодные к использованию в системах автоматизированного проектирования двигателей.

1. Основы рабочего процесса и требования, предъявляемые
к камерам сгорания.

 

Основное назначение камеры сгорания - повышение температуры рабочего тела двигателя за счет освобождения химической энергии при сжигании топлива. В настоящее время наблюдается стремление непрерывного повышения подогрева в основных камерах сгорания с целью значительного улучшения удельных и общих показателей двигателей в целом. Допустимая температура газов на выходе из основной камеры сгорания превышает Т_г= 1400...1500 К, что соответствует общему коэффициенту избытка воздуха a=2...3, который имеет тенденцию к постепенному приближению к стехиометриии.

Основная камера сгорания во входной части имеет диффузор, в котором снижается скорость и повышается статическое давление. Головная часть жаровой трубы делит весь воздух на первичный, поступающий через фронтовое устройство, и вторичный, поступающий через отверстия в жаровой трубе. Фронтовое устройство создает определенную структуру потока в передней части жаровой трубы, обеспечивающую смесеобразование, стабилизацию пламени и предопределяет эффективный ход выгорания смеси.

Согласно многочисленным данным в исследованиях весь объем жаровой трубы условно разделяется на три основных зоны: первичная зона - здесь обеспечивается качественная подготовка топливовоздушной смеси, ее воспламенение и устойчивое горение; зона догорания или промежуточная зона - здесь происходит взаимодействие потока с поперечными струями первого ряда отверстий и догорание топлива до максимально возможного уровня и зона смешения - в ней происходит снижение температуры газов до необходимого уровня и формирование профилей температур перед турбиной (рис.1).

Струи вторичного воздуха, втекающие через ряд отверстий, как правило, участвуют в процессе догорания основной массы топлива, а также, за счет эжекции части этого воздуха в зону обратных течений (ЗОТ), фронтового устройства, могут повлиять на структуру течения, процессы смесеобразования и условия стабилизации пламени. Воздух, втекающий через последующие ряды отверстий жаровой трубы в основном обеспечивает формирование необходимого поля температур и скоростей на выходе из камеры и практически не оказывает влияния на выгорание и стабилизацию пламени.

 

Основные элементы камеры сгорания газотурбинного двигателя

 

Рис. 1. 1 – воздушный завихритель; 2 – воздухозаборник; 3 – диффузор;

4 – топливная форсунка; 5 – головка (фронтовое устройство); 6 – отверстия первичной зоны; 7 – жаровая труба; 8 – щель для охлаждающей завесы; 9 – внешний кольцевой канал; 10 – внутренний кольцевой канал; 11 – отверстия зоны разбавления; 12 – корпус; 13 – отверстия промежуточной зоны.

 

Определенная структура течения за фронтовым устройством организуется прежде всего из условия обеспечения устойчивого горения и сводится к организации потока с образованием зоны обратных токов. Типичным фронтовым устройством является - лопаточный завихритель со втулкой и переходным корпусом между завихрителем и цилиндрической частью жаровой трубы. Кольцевая закрученная струя воздуха, вытекающая из завихрителя, создает за фронтовым устройством зону рециркуляции, которая обеспечивает устойчивое горение. Поперечные размеры этой зоны определяются геометрией фронтового устройства.

Жидкое топливо, впрыскиваемое форсункой в жаровую трубу, дробится на капли, размеры которых определяются типом форсунки, перепадом давления за ней и аэродинамическими силами в потоке. За завихрителем капли топлива по мере движения нагреваются окружающим потоком воздуха, испаряются, смешиваются с воздухом и образуют в итоге определенный профиль распределения топлива и состава смеси. В этих условиях относительно крупные капли топлива внедряются в зону основного потока и уносятся им, минуя зону рециркуляции, более мелкие капли и пары участвуют в процессе массообмена между прямым и обратным потоками. В итоге профиль состава смеси по сечению жаровой трубы будет определяться не только диффузией паров и мелких капель топлива в потоке, но и распределением капель топлива по траекториям, в особенности на переходных режимах при относительно низких температурах на входе в камеру сгорания.

Процесс горения топливовоздушной смеси в камерах сгорания состоит из нескольких последовательных стадий: розжига (воспламенения) смеси посторонним источником тепла, в качестве которого может служить свеча поверхностного разряда, или факельный воспламенитель, стабилизации пламени в зоне рециркуляции и распространения пламени в потоке. Исследования показывают, что процессы горения топливовоздушной смеси и смешения происходят одновременно и поэтому трактовка механизма процесса горения с позиций существующих теорий горения однородных смесей затруднен.

В первом приближении механизм горения в основных камерах можно представить в следующем виде: после розжига смеси в головочной части трубы в зоне обратных токов происходит непрерывная циркуляция горячих продуктов сгорания. Благодаря этому обеспечивается стабилизация и распространение пламени в потоке. Воздух, поступающий из периферийных отверстий, постепенно подмешивается к основному потоку и образует смесь, эффективность сгорания которой зависит от распределения воздуха по длине КС.

Если принять допущение, что происходит горение межкапельной паровоздушной смеси, то тогда возможно использование основных зависимостей, полученных для горения однородных смесей. В этом случае существуют несколько подходов для моделирования процессов горения. Наиболее важными из них являются: моделирование реакторами идеального смешения и моделирование по скорости распространения пламени. Обе указанные модели весьма приближенно описывают процессы горения вследствии того, что не учитывают процессов смешения, одновременно протекающих в зоне горения.

Использование этих моделей на практике позволяет получить некоторые расчетные соотношения. Например, при проектировании широко применяется общеизвестный критерий форсировки:

;

где, G_к – расход через камеру сгорания; Р_к^*, Т_к^* – давление и температура на входе в камеру.

С помощью данного соотношения можно оценить потребный размер камеры сгорания при известных значениях давления и температуры на входе и требуемом уровне полноты сгорания на выходе из нее.

Использование теории гомогенного реактора позволяет производить качественный анализ влияния некоторых параметров на ее выходные характеристики. Однако, дальнейшее развитие камер сгорания, повышение требований к ним, не позволяет в полной мере оценить эффективность процессов сгорания и, тем более, рассчитывать внутрикамерные процессы. Это обусловлено тем, что представление зоны горения в виде реактора идеального смешения не учитывает все многообразие факторов, влияющих на протекание таких сложных процессов, как распыливание и испарение топлива, смешение паров с воздухом, распределение воздуха по длине жаровой трубы и т.д.

К камерам сгорания ГТД предъявляются более двух десятков параметрических требований, удовлетворение которых возможно только при компромиссных решениях. В то же время, все требования можно сгруппировать в три блока: обеспечение эффективности, надежности и экологичности.

Рассмотрим более подробно основные требования, предъявляемые к камерам сгорания.

1. Коэффициент полноты сгорания, который характеризуется отношением количества тепла, выделившегося при сгорании единицы массы топлива, к его теплотворной способности. Значения полноты сгорания на основных режимах достигают h_г = 0,98...0,99.

2. Минимальные потери полного давления в камере, обусловленные наличием гидравлических и тепловых сопротивлений характеризуемые коэффициентом восстановления полного давления:

s_к.с.=Р_г^*/Р_к^*,

где, Р_г^* – давление на выходе камеры сгорания, Па; Р_к* – давление воздуха за компрессором, Па. Потери полного давления лежат в пределах 0,94...0,96.

3. Минимальные габаритные размеры камеры сгорания обычно характеризуются величиной теплонапряженности, которая равна отношению количества тепла, выделившегося в единицу времени к объему жаровой трубы и давлению на входе в камеру сгорания:

,

где, Н_и – низшая теплотворная способность топлива, Дж/кг; G _т – секундный расход топлива, кг/с; V _ж – объем жаровой трубы, м³.

Чем больше теплонапряженность при заданном расходе топлива, тем меньше объем камеры сгорания. Теплонапряженность камер сгорания современных ГТД составляет (3,5...6,5)10⁶ Дж/м³Па.

4. Устойчивая работа без погасания и вибрационного горения во всем эксплуатационном диапазоне по составу керосино-воздушной смеси от a_min до a_max и при изменении параметров на входе от минимального до максимального значения. В камерах сгорания может меняться от 1,2 (на режимах запуска) до 20...60 (на режимах сброса газа).

5. Обеспечение заданного уровня максимальной неравномерности поля температур на выходе из камеры сгорания.

Максимальная неравномерность поля температуры газа характеризуется отношением разности наибольшей температуры в данной точке поля и средней температуры газа к разности средней температуры газа и температуры воздуха за компрессором:

;

Величина q для камер сгорания ГТД должна составлять 0,25...0,4.

6. Минимальный уровень содержания токсичных веществ и дыма в продуктах сгорания.

К токсичным веществам относятся угарный газ СО, углеводороды С_xН_y, окислы азота NO_x. Концентрация токсичных веществ в выхлопных газах не должна превышать допустимых норм, устанавливаемых ИКАО.

7. Высокая надежность конструкции и стабильность характеристик камеры сгорания при заданном ресурсе ГТД.