Рабочий процесс основных камер сгорания

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

 

 

4.1.1. Назначение камер сгорания.
Необходимые сведения о топливах

 

Камера сгорания служит для повышения температуры рабочего тела, проходящего через двигатель. Подвод тепла реализуется в ней путем непрерывного сжигания топлива в воздушном потоке.

К топливам авиационных двигателей предъявляется целый ряд требований. Важнейшие из них: малая токсичность, большие сырьевые ресурсы и небольшая стоимость, высокие массовая удельная теплота сгорания H u и плотность r т, а также эксплуатационные требования такие, как стабильность физико-химических свойств при хранении и прокачивании по трубопроводам, оптимальная испаряемость и другие.

Массовой низшей удельной теплотой сгорания H u называют количество тепла, которое выделяется в калориметре при полном сгорании 1 кг топлива и последующем охлаждении продуктов сгорания до начальной температуры топлива и воздуха Т 0 = 293 К без учета тепла конденсации содержащихся в них паров воды [1].Теплота сгорания – важнейшая характеристика топлива, поскольку при одинаковом подводе тепла его расход обратно пропорционален величине H u.

К важнейшим характеристикам топлив относится также стехиометрический коэффициен т L 0, которым называют количество воздуха, теоретически необходимое для полного сгорания 1 кг топлива. В разд. 4.1.3 показано, что величинами H u и L 0 в значительной степени определяется максимально возможная с термодинамической точки зрения температура газа на выходе из камеры сгорания Т *г max.

Перечисленным требованиям в наибольшей степени удовлетворяет углеводородное топливо нефтяного происхождения. Нефтяные топлива для авиационных двигателей делятся на четыре группы (табл. 4.1).

Они состоят из углерода и водорода и включают примерно 1 % примесей, в том числе вредных, например серу. Отличаются эти топлива, как видно из таблицы, по плотности, которая с переходом от бензина к керосиногазойлю увеличивается примерно на 20 %. Массовая удельная теплота сгорания уменьшается при этом несущественно (в пределах 3 %)1.

Бензин применяется для поршневых, в том числе авиационных, двигателей. Для газотурбинных двигателей используется преимущественно керосин и в меньшей степени топливо типа широкой фракции. Керосиногазойль нашел применение, в частности, для ПВРД, которые служат силовыми установками крылатых ракет.

Термогазодинамические расчеты газотурбинных двигателей (гл. 8 и 12) для корректного сравнения их результатов рекомендуется выполнять по характеристикам условного "стандартного" углеводородного топлива, содержащего ~ 85 % углерода и ~ 15 % водорода, имеющего удельную теплоту сгорания 42900 кДж/кг и стехиометрический коэффициент L 0 = 14,8.

 

Таблица 4.1

 

Тип углеводородного топлива	H u, кДж/кг	r т, кг/м^3
Бензин	43620 … 43830	700 … 730
Широкая фракция	43000 … 43540	750 … 770
Керосин	42900 … 43330	780 … 830
Керосиногазойль	42570 … 43120	840 … 860

4.1.2. Основные параметры режима
и показатели качества работы камеры сгорания

 

Параметры режима. Сжигание топлива – весьма сложный физико-химический процесс высвобождения химической энергии топлива и преобразования ее в тепловую энергию продуктов сгорания (окисление топлива кислородом воздуха). Он зависит от большого числа факторов, к которым относится прежде всего состав смеси: соотношение между расходом топлива (горючего) и воздуха (окислителя).

Состав смеси принято характеризовать коэффициентом избытка воздуха a, которым называют отношение расхода воздуха, действительно проходящего через камеру сгорания G в г, к расходу, теоретически необходимому для полного сгорания подаваемого топлива. Поскольку для полного сгорания 1 кг топлива требуется L 0 = 14,8 кг воздуха, то

 

a = G в г / (G т L 0) = 1 / (14,8 q т). (4.1)

 

где q т = G т / G в г – (4.2)

относительный расход топлива –отношение расхода топлива к расходу воздуха, проходящего через камеру сгорания.

При a = 1, как следует из самого определения, в камеру сгорания поступает воздуха ровно столько, сколько необходимо для полного сгорания топлива. Такое соотношение топлива с воздухом называется стехиометрическим. Если a < 1, то воздуха поступает меньше, чем это необходимо для сгорания топлива. Часть топлива остается несгоревшей. Такая смесь называется богатой (топливом). Если a > 1, то, наоборот, воздуха больше, чем необходимо (часть кислорода воздуха остается невостребованной для сгорания топлива). Такая смесь называется бедной. (Как будет показано далее, камеры сгорания воздушно-реактивных двигателей работают на бедных смесях.)

Очевидно, что теоретически максимальная температура рабочего тела на выходе из камеры сгорания получается при a = 1 (чему соответствует, согласно (4.1), q т max = 0,0676). В любом другом случае несгоревшие окислитель (a > 1) или горючее (a < 1) охлаждают продукты сгорания, так как они имеют существенно более низкую температуру по сравнению с температурой непосредственных продуктов сгорания.

Подчеркнем, что при увеличении режима работы двигателя, а следовательно, и расхода топлива, коэффициент избытка воздуха a, как следует из (4.1), уменьшается, и наоборот, – при снижении режима он увеличивается.

Величина относительного расхода топлива q т широко используется в термогазодинамических расчетах при проектировании двигателя и расчете его характеристик. При известной удельной тяге значением q т практически однозначно определяется удельный расход топлива ТРД – одна из важнейших величин, характеризующих эффективность работы двигателя (см. гл.7). При известном расходе воздуха через камеру сгорания значением q т определяется расход топлива через двигатель:

 

G т = q т G в г. (4.2а)

 

Кроме коэффициента избытка воздуха a, процесс горения топливовоздушной смеси зависит от параметров рабочего тела на входе в камеру сгорания: давления p *к, температуры Т *к и скорости потока c к. (Понятно, что эффективность сжигания топлива и даже возможность его воспламенения зависят также от организации рабочего процесса, которая рассмотрена в разд. 4.3.)

Перечисленные величины a, p *к, Т *к и c к являются основными параметрами режима работы камеры сгорания. В следующем разделе показано, что значениями a (q т) и Т *к практически однозначно определяется температура газа перед турбиной Т *г, которая характеризует режим работы как камеры сгорания, так и двигателя в целом.

Показатели качества работы камеры сгорания. Качество работы камеры сгорания оценивается по показателям эффективности, надежности и экологического совершенства.

Эффективность работы камеры сгорания оценивается двумя основными коэффициентами: полноты сгорания топлива h г и восстановления полного давления s к.с.

Коэффициентом полноты сгорания (выделения тепла) h г называют отношение количества тепла, подведенного к воздушному потоку в камере сгорания G в г Q 1, к располагаемой (химической) энергии внесенного в двигатель топлива G т H u:

 

h г = = =, (4.3)

 

где Q 1 – тепло, подведенное к 1 кг воздуха; согласно (1.1г) величина Q 1 выражается через полную температуру рабочего тела на выходе из камеры сгорания и на входе в нее; Q 0 – располагаемая энергия внесенного в двигатель топлива в расчете на 1 кг воздуха, проходящего через камеру сгорания;

Q 0 = q т H u. (4.4)

 

Коэффициентом восстановления полного давления s к.с называют отношение полных давлений на выходе из камеры сгорания и на входе в нее:

s к.с = p *г / p *к. (4.5)

 

Полное давление по длине камеры сгорания снижается, как уже отмечалось в гл. 1, вследствие гидравлического сопротивления и подвода тепла.

Надежность работы камеры сгорания оценивается диапазоном ее устойчивой (по срыву пламени) работы и устойчивого запуска, а также величиной неравномерности температурного поля на выходе из камеры сгорания. (Здесь рассматриваются показатели надежности, имеющие непосредственное отношение к рабочему процессу камеры сгорания. Оценка ее надежности в целом выходит за рамки теории двигателей.)

Диапазоном устойчивой работы называют зависимости максимального значения a max, характеризующего так называемый бедный срыв пламени, и минимального значения a min, характеризующего богатый срыв, от параметров режима и разность между ними

 

a max – a min. (4.6)

 

В указанном диапазоне обеспечивается устойчивая (без срыва пламени) работа камеры сгорания.

Коэффициент избытка воздуха a изменяется при изменении как режима работы двигателя, так и внешних условий, особенно при значительном увеличении скорости полета (гл. 7 и 12), а также на неустановившихся режимах [42]. Понятно, что в различных условиях эксплуатации камера сгорания должна работать без срыва пламени в полном диапазоне изменения a. Поэтому при разработке камеры сгорания обеспечению потребного диапазона устойчивой работы (a max – a min), т.е. ее срывным характеристикам, уделяется особое внимание.

Такое же внимание уделяется обеспечению устойчивого запуска камеры сгорания в заданном диапазоне высот и скоростей полета.

Неравномерность температурного поля на выходе из камеры сгорания определяют как разность между замеренными значениями температуры газа Т *г i во множестве точек выходного сечения Г и их среднемассовым значением Т *г. Относительная неравномерность представляет собой отношение этих разностей к величине подогрева газа в камере сгорания

Q i =. (4.7)

 

Экологические характеристики камеры сгорания оцениваются по величинам концентрации вредных веществ в продуктах сгорания. Проблемы обеспечения экологичности двигателя излагаются в [42].

 

4.1.3. Определение относительного расхода топлива и оценка
максимально возможной температуры газа перед турбиной

 

Известная простая формула

 

q т =, (4.8а)

 

которая получается из элементарного уравнения теплового баланса (1.1г), т.е. при условии, что масса рабочего тела и его теплоемкость в процессе подвода тепла не изменяются, дает большую ошибку. Поэтому ею нельзя пользоваться при выполнении проектных расчетов и при расчетах характеристик двигателя.

Формула (4.8а) широко применяется при аналитических исследованиях для получения качественных закономерностей. Автор рекомендует студентам пользоваться ею при решении задач, помещенных в учебнике. При этом задается условная удельная теплоемкость рабочего тела в камере сгорания c p к.с. (Величина c p к.с предварительно подбирается из условия снижения погрешности самой формулы.) Практически по той же формуле рекомендуется рассчитывать (при решении задач) относительный расход топлива через форсажную камеру:

 

q т. ф = n х, (4.8б)

 

где c р ф – условная удельная теплоемкость рабочего тела в форсажной камере; Т *х – температура газа в сечении Х на входе в форсажную камеру, равная Т *т, Т *см или Т *кII соответственно для ТРДФ, ТРДФсм или ТРДФII; n х – коэффициент изменения массы рабочего тела n х = G г х / G в.

В настоящее время расчет q т с высокой точностью выполняется на ЭВМ и не вызывает затруднений, поскольку созданы соответствующие подпрограммы.

Подчеркнем, что относительный расход топлива, как следует из (4.8а), зависит от величин Т *г, Т *к, H u и h г. Он изменяется прямо пропорционально разности температур (Т *г – Т *к), то есть теплоподводу, и обратно пропорционально произведению удельной теплоты сгорания и коэффициента полноты сгорания.

Оценка максимально возможной температуры газа перед турбиной. Температуру газа на выходе из камеры сгорания выразим на основании (4.8а) через температуру на входе Т *к и величину q т (a):

 

Т *г = Т *к + q т H u h г / c p к.с. (4.9)

 

Рис. 4.1. Зависимость температуры Т *г (Т *п.с) от коэффициента избытка воздуха a (a з.г) при Т *к = 900 К (-------) и 700 К (-----)

С учетом (4.1) будем иметь

 

Т *г = Т *к +. (4.9а)

 

Из (4.9а) следует, что величина Т *г в общем случае зависит от температуры Т *к, коэффициента избытка воздуха a и отношения H u / L 0. С увеличением a температура Т *г снижается. Зависимость Т *г от коэффициента избытка воздуха приведена на рис. 4.1. Она рассчитывается, строго говоря, по методике равновесного состава продуктов сгорания, включающего порядка 11 – 28 основных веществ, с учетом изменения их теплоемкости, а при высоких значениях Т *г еще и с учетом их диссоциации.

Как отмечалось в разд. 4.1.2, максимальная температура продуктов сгорания должна обеспечиваться при a = 1, в действительности максимум незначительно смещается в область a < 1, так как при a = 0,96... 0,98 затраты тепла на диссоциацию несколько уменьшаются.

Величину Т *г max можно оценить на основании (4.9а). Принимая a = 1, получим

 

Т *г max = Т *к+ H u h г / L 0 c p к.с = Т *к + (»1800), К. (4.9б)

 

Итак, с термодинамической точки зрения максимально возможная температура газа перед турбиной достигает ~ 2700 К (при Т *к » 900 К).

 

4.1.4. Основные требования к камерам сгорания

 

Обеспечение высокой эффективности процесса сгорания топлива (т.е. высоких значений коэффициентов полноты сгорания h г и восстановления полного давления s к.с) и экологической безопасности – важнейшее требование, предъявляемое к камерам сгорания.

Устойчивость процесса сгорания во всех полетных условиях и на всех режимах, включая переходные, имеет особо важное значение, так как срыв пламени в полете ведет к выключению двигателя. Должен обеспечиваться, кроме того, надежный запуск камеры сгорания в земных и высотных условиях.

Надежность работы конструкции камеры имеет не менее важное значение. Обеспечение надежности – не простая задача, так как, с одной стороны, в зоне горения реализуются весьма высокие значения температуры газа, а с другой, – прочность современных конструкционных материалов без разработки специальных мер защиты не обеспечивается при таких температурах.

К этой же группе требований относится необходимость обеспечения приемлемой неравномерности температурного поля в выходном сечении камеры сгорания. Большая неравномерность температурного поля ухудшает эффективность работы турбины, ведет к снижению прочности конструкции и уменьшению ресурса двигателя.

Обычное для узлов авиационных двигателей требование обеспечения малых габаритов и массы применительно к камере сгорания означает, кроме того, необходимость ее высокой теплонапряженности, т.е. выделение возможно большего количества тепла за 1 ч в расчете на единицу объема жаровой трубы V ж (в которой сжигается топливо) и давления газа p *к на входе в нее,

 

Q v. p =. (4.10)

 

Теплонапряженность камер сгорания ВРД изменяется в пределах Q v. p = (1,2... 6,5) 10 6 Дж/(м3. Па. ч), что на два порядка выше теплонапряженности обычных технических топок [33].

К камерам сгорания, как и к другим узлам двигателя, предъявляются требования обеспечения простоты конструкции и технологичности производства, а также простоты обслуживания в эксплуатации. Конструкция камеры должна быть модульной, легко диагностируемой и недорогой.

 

4.2. НЕКОТОРЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГОРЕНИЯ
ТОПЛИВА В ПОТОКЕ

 

Классификация топливовоздушной смеси. Горючей топливовоздушной смесью, которая необходима для сжигания углеводородного топлива, называют смесь паров и капель топлива с воздухом, способную к воспламенению и распространению по ней пламени. Свойства смеси зависят в первую очередь от ее состава в зоне горения (величины a з.г) и от степени ее неравномерности по составу, которая оценивается по отличию местных коэффициентов избытка воздуха в зоне горения a з.г i от среднего значения a з.г (однородная, неоднородная), а также от наличия в ней топливных капель (гомогенная, гетерогенная).

Гомогенная однородная смесь – это такая смесь, в которой все топливо полностью испарено и равномерно перемешано с воздухом, так что местные a з.г i на каждом из участков зоны горения равны общему для нее a з.г.

Горючая смесь, образующаяся в камерах сгорания, является, как правило, существенно неоднородной по местным a з.г iиз-за неравномерного распределения топлива и негомогенной из-за наличия недоиспарившихся капель(т.е. гетерогенной). Такая смесь называется двухфазной неоднородной.

Рассмотрим особенности горения различных по качеству топливовоздушных смесей.

Горение в ламинарном потоке гомогенной однородной смеси. Если заранее подготовленную, например в прозрачной трубке, неподвижную горючую смесь поджечь, то фронт пламени будет перемещаться по смеси в виде узкой светящейся поверхности толщиной d пл ~ 1мм. Скорость распространения фронта пламени относительно нетурбулизованной свежей смеси, взятая по нормали к его поверхности, называется нормальной скоростью горения u н.

Нормальная скорость u н зависит в основном от рода топлива, состава смеси a з.г и ее начальной температуры Т 0 (рис. 4.2). Величина u н по a з.г изменяется качественно так же, как и температура продуктов сгорания Т *п.с (см. рис. 4.2 и 4.1), поскольку скорости химических реакций и интенсивность передачи тепла от продуктов сгорания к свежей смеси с ростом температуры пламени существенно возрастают.

Рис. 4.2. Зависимости u н от состава керосиновоздушной смеси и ее температуры

Как видно из рис. 4.2 [32], для углеводородного топлива нормальная скорость горения изменяется в пределах u н»0,5…2 м/с. Из этого следует, что в узкой полосе фронта пламени смесь сгорает приблизительно за тысячную долю секунды и температура ее повышается, например, от 500 до 2500 К, т.е. в 5 раз.

Важно подчеркнуть, что, во-первых, нормальная скорость горения намного меньше скорости движения рабочего тела на выходе из компрессора. Во-вторых, имеются так называемые концентрационные пределы горения

a _з.г » 0,6 … 1,7, (4.11)

 

при выходе за которые горение прекращается, так как выделяющегося при горении тепла оказывается недостаточно для воспламенения свежей смеси.

В-третьих, если горючая смесь движется со скоростью c, превышающей нормальную скорость горения u н, то фронт пламени будет сносить по течению и для его "удержания" необходим стационарный источник поджигания. За таким источником устанавливается фронт пламени в виде расходящегося конуса (рис. 4.3). Соотношение между этими скоростями определяется формулой:

 

Рис. 4.3 Расположение фронта пламени (- - -) в ламинарном потоке при точечном источнике поджигания (*) и с > u н

u н = cсosb, (4.12)

которую называют законом Михельсона: проекция скорости набегающего потока на нормаль к поверхности фронта пламени с n равна нормальной скорости горения u н.

Следовательно, скорость распро­странения фронта пламени можно определить по известным значениям скорости потока горючей смеси с и угла b между фронтом пламени и нормалью к скорости набегающего потока.

 

Горение в турбулентном потоке. В турбулентном потоке гомогенной и тем более двухфазной смеси картина распространения пламени существенно усложняется. На локальных микроучастках выгорание смеси происходит с нормальной скоростью, а в макромасштабе пламя переносится турбулентными пульсациями, которые характеризуются масштабом турбулентности ℓ т (размером турбулентных вихрей) и скоростью турбулентных пульсаций (точнее, ее среднеквадратическим значением u¢) или их интенсивностью. Интенсивностью турбулентности e _т называют отношение величины u¢ к средней скорости потока в данном сечении e _т = u¢ /с.

Рис. 4.4. Влияние турбулентности на фронт пламени

Под действием турбулентных пульсаций передний фронт пламени 1 сильно искривляется и теряет сплошность (рис. 4.4). За счет этого увеличивается поверхность горения и интенсифицируются процессы тепломассообмена от пламени к свежей смеси. Поэтому скорость распространения сглаженного фронта пламени 2 в турбулентном потоке u _т , хотя и зависит от u н, но в значительной мере определяется величинами ℓ ти u¢. Если ℓ _т < d пл, то имеет место мелкомасштабная турбулентность. При этом локальные искривления нормального фронта пламени оказываются соизмеримыми или меньше величины d пл. Если ℓ _т > d пл, то фронт пламени сильно искривлен и зазубрен, турбулентность считается крупномасштабной. Интенсивность турбулентности считается малой, если u¢ << u н, тогда величина u т ≈ u н. Если, наоборот, u¢ >> u н, то имеет место высокоинтенсивная турбулентность и u т ≈ u н + u¢.

В камерах сгорания ГТД горение протекает в сильно турбулизованном (ℓ _т > d пл и u¢ >> u н) и неоднородном по a з.г i потоке. Фронт пламени и зона горения при этом имеют весьма сложную структуру. Лидирующие участки переднего фронта пламени отрываются и далеко забрасываются пульсациями в свежую смесь 3, поджигая окружающие ее участки. В результате скорость сгорания смеси в целом существенно увеличивается. Увеличивается, следовательно, и скорость распространения фронта пламени в турбулентном потоке u т. Величина u т = 15 … 30 м/с [32], т.е. на порядок больше нормальной скорости горения u н.

Формы и режимы горения. В общем случае сжигания двухфазной неоднородной топливовоздушной смеси в камерах сгорания могут наблюдаться следующие формы горения топлива: горение топливных паров вокруг отдельных капель; горение паров вокруг совокупности близко расположенных капель различного диаметра в общей пламенной оболочке; горение паров топлива в межкапельном пространстве.

Пламена можно рассматривать как сумму и определенное сочетание вышеперечисленных форм горения. При этом в определенных условиях возможно преобладание какой-то одной или двух из них. Соответственно этому устанавливается и определенный режим горения. Различают два крайних режима горения: гетерогенный – с преобладанием капельных форм горения и гомогенный – с преобладанием горения смеси в газофазном ее состоянии.

Подчеркнем в заключение, что гетерогенный (двухфазный) режим горения по сравнению с гомогенным имеет одно важное преимущество: он характеризуется более широкими концентрационными пределами горения

 

a _з.г » 0,4…2,2 [16, 21]. (4.11а)

 

Граница бедного срыва отодвигается еще дальше до уровня a _{з.г max} = 2,5... 2,7 [37] при сгорании неоднородной двухфазной смеси в условиях, характерных для камеры сгорания. Другими словами, двухфазная неоднородня смесь устойчиво сгорает в более широком диапазоне своего состава, что объясняется возможностью горения топлива вблизи капель в то время, когда в межкапельном пространстве смесь уже становится негорючей.

 

Подготовка горючей смеси

 

Подготовка горючей смеси начинается с распыливания топлива форсунками, которые устанавливаются во фронтовом устройстве жаровой трубы. Форсунки бывают механические, пневмомеханические, пневматические и испарительного типа.

Форсунки. Существующие механические форсунки базируются на двух основных типах: струйных и центробежных. В струйной форсунке струя вытекает из цилиндрического сопла и обладает большой дальнобойностью. Эти форсунки выполняются чаще всего совместно с экранами-отбойниками, при ударе о которые струя дробится на капли. Струйные форсунки дают достаточно грубый распыл, но просты по конструкции. Они применяются в форсажных камерах ВРД, где благодаря высокой температуре газа на входе проблем с испарением капель не возникает.

Центробежная форсунка (рис. 4.7, а) представляет собой камеру закручивания 1, в которую жидкое топливо подается под большим давлением через несколько тангенциальных каналов 2. Поскольку камера с одной стороны имеет глухую стенку, а с другой – узкое цилиндрическое сопло 3, то из сопла топливо вытекает в виде кольцевой сильно закрученной струи. За счет возникающих при этом центробежных сил кольцевая струя при выходе из сопла резко расширяется, образуя полый конус, утончается и разрывается на части, которые дробятся на мелкие капли.

При распыливании топлива форсунками образуется целый спектр капель, диаметр которых изменяется в диапазоне от 5 до 200 мкм. Качество распыливания топлива принято оценивать по уровню "среднего" диаметра. Лучшие форсунки обеспечивают средний диаметр капель порядка 15 … 25 мкм на основных эксплуатационных режимах и 50 … 100 мкм на режимах пониженной тяги.

б)

а)

 

Рис. 4.7. Форсунки камер сгорания ГТД:
а – центробежная; б – двухъярусная пневмомеханическая

 

Факел распыливания топлива характеризуется также корневым углом конусности (угол γ, см. рис. 4.7, а, который в зависимости от интенсивности закрутки топлива в форсунке может составлять 40 … 120о), а также распределением топлива по его поперечному сечению.

Подчеркнем, что качество распыливания топлива (снижение размеров капель и повышение равномерности распределения топлива по зоне горения) оказывает существенное влияние на обеспечение высокой полноты сгорания топлива и снижения выброса вредных веществ. Качество распыливания является следствием взаимодействия и взаимопроникновения двух потоков – топлива и воздуха, причем в механических форсунках оно в значительной степени определяется скоростью движения топлива относительно газовой среды.

Для интенсификации и повышения качества смесеобразования важно увеличивать не абсолютную, а относительную скорость движения этих потоков. Поэтому получили распространение форсунки, в которых топливный факел или кольцевая топливная пленка обдуваются высокоскоростным потоком воздуха. Такое распыливание называется пневматическим.

В пневматических форсунках в отличие от механических топливо подается под небольшим давлением и через узкую кольцевую щель вытесняется на пленкообразующую поверхность большого диаметра. Далее пленка обдувается по касательной с двух сторон высокоскоростными потоками воздуха, прошедшими через два лопаточных завихрителя с противоположной закруткой потоков. Благодаря такому обдуву пленка разрушается на множество мелких капель с необходимым пространственным их распределением.

Пневмомеханические форсунки, наиболее широко распространенные в камерах сгорания ГТД, объединяют достоинства механических и пневматических форсунок. В них (рис. 4.7, б) распыленное с помощью центробежного распылителя 4 топливо образует на цилиндрической поверхности 5 пленку, которая обдувается двумя потоками воздуха, закрученного лопаточными завихрителями 6 и 7. Такое комбинированное распыливание топлива способствует скорейшему испарению капель, лучшему перемешиванию паров и капель топлива с воздухом и нужному распределению их в пространстве.

Распыливаемое топливо перемешивается с воздухом, подогревается и испаряется – подготавливается горючая смесь нужного состава и газодинамической структуры. Центральным звеном структуры потока за форсункой является зона обратного тока.

Образование зоны обратного тока. Механизм образования зоны обратного тока рассмотрим на примере обтекания воздушным потоком V-образного стабилизатора (рис. 4.8).

Поток 1, натекающий на стабилизатор 2, отклоняется от осевого направления и, стекая с его кромки, воздействует как эжектор на массу воздуха за ним, т.е. отсасывает ее. За стабилизатором образуется область пониженного давления, в которую подсасывается воздух из основного потока. Возникает, таким образом, зона обратного тока 3. Границы ее на рис. 4.8 очерчены штриховой линией 4. Длина этой зоны в 2... 4 раза больше ширины V-образного стабилизатора.

Рис. 4.8. Структура потока за V-образным стабилизатором пламени: – зона обратного тока; – циркуляционная зона

Зона обратного тока вместе с прилегающей к ней частью внешнего, обтекающего ее потока, имеющего такой же расход воздуха, образует пространство, которое условно называют зоной циркуляции 5. Между этими зонами располагается " слой смешения ", который характеризуется небольшими скоростями потока, но высоким уровнем турбулентных пульсаций в поперечном направлении, и является поэтому идеальным местом для стабилизации пламени.

С помощью V-образных стабилизаторов организуются зоны обратных токов в форсажных камерах. В основных камерах их функцию выполняет фронтовое устройство. По конструктивному выполнению фронтовые устройства весьма разнообразны. Наибольшее распространение получили завихрительные фронтовые устройства. Во многих случаях зона обратного тока формируется лопаточными завихрителями 6 и 7, установленными в одном узле с форсунками 4 (см. рис. 4.7, б). Закрученная струя воздуха, которая вытекает из лопаточного завихрителя, создает в своей приосевой области разрежение. В эту область устремляются газы из самой струи и из первого ряда отверстий в жаровой трубе (см. рис. 4.5). Таким образом, как и за V-образным стабилизатором, возникает зона обратного тока и соответствующая зона циркуляции.

Образование горючей смеси протекает по мере удаления топливных капель от форсунки. При этом между отдельными струйками тока, струями и зонами протекает интенсивный турбулентный тепломассообмен посредством пульсационного движения воздушных вихрей. Их масштаб изменяется в широком диапазоне – от долей миллиметра до размеров, соизмеримых с диаметрами крупных отверстий в жаровой трубе и с ее высотой. Особенно интенсивным тепломассообмен оказывается в "слое смешения", в котором интенсивность турбулентности может достигать значений e t = 30 … 40 %.

В результате происходит прогрев капель, их частичное или полное испарение. Мелкие капли вместе с образовавшимися топливными парами перемешиваются с воздухом и продуктами сгорания. Крупные капли гораздо дольше сохраняют индивидуальность движения, пока также не испарятся и не будут увлечены окружающим потоком. При неудовлетворительном распыле топлива отдельные крупные капли могут попадать на стенки жаровой трубы или даже достигать выходного сечения камеры сгорания.

Таким образом формируется поток горючей смеси, типичная структура которого для основных камер сгорания сцентробежным распылом топлива и наличием воздушных лопаточных завихрителей показана на рис. 4.9. В сечении, где зона циркуляции имеет максимальный диаметр, показаны радиальные эпюры осевой скорости с а, концентрации топлива с т и температуры газа Т * г. Величины с а, с т и Т * г изменяются по радиусу (высоте) жаровой трубы весьма существенно: концентрация топлива и температура газа более чем в три раза; скорость потока в зоне циркуляции изменяется не только по величине, но и по знаку. Температура газа изменяется от величины Т *к у стенок жаровой трубы до температуры продуктов сгорания в зоне обратных токов. Из нее раскаленные продукты сгорания поступают навстречу потоку воздуха и топлива, подогревают его и интенсифицируют процесс испарения. Зона обратного тока, таким образом, вместе с форсунками играет ключевую роль в процессе подготовки горючей смеси.

 

Рис. 4.9. Структура потока топливовоздушной смеси и

стабилизация пламени:
1 – топливный факел; 2 – точка стабилизации фронта пламени; 3 – поверхность

максимальной концентрации топлива; 4 – фронт пламени; 5 – пламя

 

Как макроструктура потока, показанная на рис. 4.9, так и его микроструктура (масштаб турбулентных вихрей ℓ Т, длина пути, проходимого ими до своего разрушения – смешения с окружающим газом, а также интенсивность турбулентности ε Т) изменяются от сечения к сечению камеры сгорания (см., например, эпюру осевой скорости с'а в сечении за зоной циркуляции). Они определяются конструкцией фронтового устройства и распределением воздуха по длине жаровой трубы.

На рис. 4.9 показаны, кроме того, топливный факел 1, линия максимальной концентрации топлива 3 и еще несколько характерных точек, поверхностей и объемов, которые образуются в результате горения топлива.

 

Организация горения топлива

 

Поток воздуха, поступающий в камеру сгорания, делится, как отмечалось, на воздух окисления и смешения. Воздух окисления в свою очередь разделяется на первичный, который поступает в жаровую трубу главным образом через фронтовое устройство, и вторичный, поступающий в зону горения через два-три ряда крупных отверстий в первой половине жаровой трубы. (На рис 4.5 показаны два ряда указанных отверстий; там же показано, что часть воздуха из первого ряда этих отверстий поступает в первичную зону горения.) Зона горения делится, соответственно, на первичную и вторичную.

Первичная зона горения: запуск камеры сгорания и стабилизация фронта пламени. Для поджигания горючей смеси в момент запуска используются двухэлектродные электросвечи (как правило, в малоразмерных ГТД) или специальные пламенные воспламенители. Воспламенитель (рис. 4.10) представляет собой миниатюрную камеру сгорания, в корпусе которой 1 размещены пусковая форсунка 2 и электросвеча 3. Воздух, текущий по кольцевому каналу между наружным корпусом 4 и жаровой трубой 5, через ряд отверстий поступает в камеру воспламенителя. В момент пуска в эту камеру через форсунку впрыскивается топливо, создается обогащенная горючая смесь и одновременно подается высокое напряжение к электродам свечи. Смесь воспламеняется, и факел пламени устремляется в жаровую трубу, где поджигает образовавшуюся топливовоздушную смесь. После запуска камеры воспламенитель отключается. Для надежности и улучшения высотного запуска на камере сгорания устанавливают по 2 – 4 воспламенителя.

В процессе запуска камеры сгорания пламя от воспламенителя перебрасывается в зону циркуляции и в "слой смешения", располагающийся между прямым и обратным токами зоны циркуляции. Фронт пламени вытягивается по нему к форсунке и останавливается в некоторой точке стабилизации пламени 2, см. рис. 4.9, в которой скорость распространения пламени в турбулентном потоке равна скорости набегающего потока. Фронт пламени располагается в слое смешения, охватывая зону обратных токов, которая заполняется продуктами сгорания и догорающей в ней горючей смесью. Чтобы исключить перегрев форсунки и ее закоксовывание, а также интенсивное сажеобразование, в зоне обратного тока не должно быть излишнего топлива, не участвующего в горении. Поэтому конус максимальной концентрации топлива 3 (см. рис. 4.9) располагается вне зоны циркуляции.

Рис. 4.10. Воспламенитель для запуска камеры сгорания