Камеры сгорания и охлаждение стенок жаровой трубы

 

Формирование поля температуры газа в сечении Г. Как отмечалось, снижение неравномерности температурного поля в выходном сечении камеры сгорания — одна из главных задач организации рабочего процесса. Большая неравномерность температурного поля может привести к прогарам лопаток сопловых аппаратов турбины, потере прочности и поломкам рабочих лопаток, к короблению корпусных деталей, растрескиванию и прогару стенок жаровой трубы и прочим повреждениям (снижается также, как отмечалось, кпд турбины). Поэтому для обеспечения надежной и эффективной работы камеры сгорания и двигателя в целом неравномерность температурного поля ограничивается: максимальная температура Т *г max не должна превышать среднемассовую более чем на 10... 15 %. Задается также изменение температуры по высоте выходного сечения (радиальная эпюра, см. разд. 4.5), а ее максимум должен находиться несколько выше среднего радиуса лопатки турбины (примерно на 2/3 от высоты лопатки h л). Эта задача решается путем оптимизации размещения и размеров отверстий в газосборнике жаровой трубы как для прохода воздуха смешения, так и воздуха, охлаждающего стенки жаровой трубы.

 

Изменение температуры Т *г по высоте жаровой трубы определяется в значительной степени относительной глубиной проникновения струй `В = В / h ж (см. рис. 4.12), а ее изменение по окружности (окружная неравномерность) зависит от относительного шага отверстий `t = t / h ж. Если величина `В << 0,5, то ось струи не достигает средней окружности камеры сгорания и ядро продуктов сгорания затрагивается слабо. Если относительный шаг `t >> 0,5, то поток продуктов сгорания может проходить между струями практически не затронутым. В обоих случаях в турбину может поступать поток газа, температура которого близка к температуре продуктов сгорания, либо требуется газосборник существенно большей длины. Процесс смешения, следовательно, необходимо интенсифицировать. Как и во вторичной зоне горения, это обеспечивается путем выбора величин `В и `t, близких к их оптимальным значениям. Такая оптимизация позволяет снизить неравномерность температурного поля и уменьшить длину газосборника.

Подход к вопросу выбора относительного шага отверстий `t и их диаметра d o и обеспечения потребной глубины проникновения `В, изложенный в предыдущем разделе, одинаково относится как ко вторичной зоне горения, так и к зоне смешения. Обычно для зоны смешения принимают 0,4 < `t < 0,6.

Требуемое снижение температуры газа у корня рабочих лопаток (обода дисков турбины) обеспечивается дополнительным последним рядом более мелких отверстий на внутренней стенке жаровой трубы.

Поле температуры формируют по результатам доводочных испытаний камеры сгорания на автономных стендах и в составе двигателя. С увеличением Т *г величины α и α з.г сближаются, относительная доля воздуха "смешения" уменьшается `G см = 1 – α з.г / α – `G охл и формирование температурного поля переносится в значительной степени в зону горения.

Охлаждение стенок жаровой трубы. Стенки жаровой трубы нагреваются главным образом вследствие лучистого подвода тепла, излучаемого пламенем. С наружной стороны стенка жаровой трубы охлаждается обтекающим ее "холодным" воздухом, который протекает по кольцевому каналу между жаровой трубой и корпусом камеры сгорания.

Ресурс и надежность камеры определяются уровнем и неравномерностью нагрева стенок жаровой трубы. Для удержания их температуры Т ст в заданных пределах охлаждающий воздух вводят внутрь жаровой трубы так, чтобы он создавал защитный слой (рис. 4.13), что позволяет практически полностью изолировать стенки жаровой трубы от контакта с горячими газами. Процесс горения, таким образом, как бы "висит" в пространстве, не касаясь стенок жаровой трубы.

 

а) б)

 

Рис. 4.13. Способы охлаждения стенок жаровой трубы

 

Расход охлаждающего воздуха постоянно увеличивался и на современных двигателях достиг 25... 30 % и более (от суммарного расхода воздуха через камеру сгорания), что связано со значительным ростом Т *г, а также с сокращением внутреннего объема рабочего пространства [22] и, следовательно, с приближением стенок жаровой трубы к пламени.

Дальнейшее повышение температуры газа перед турбиной и снижение коэффициента избытка воздуха до величин, приближающихся к единице, приводит к необходимости разработки новых способов защиты жаровой трубы: ее внутренние поверхности покрывают, как правило, жаростойкими эмалями с низкой теплопроводностью, применяют конструкции с двойными стенками (рис. 4.13, б), а в последнее время – металлокерамику.