Этапы рабочего процесса в основных КС

Рабочий процесс в КС состоит из следующих этапов:

1. Распыление форсунками топлива в жаровой трубе.

2. Смешивание топлива с воздухом и его испарение.

3. Воспламенение ТВС.

4. Химическая реакция окисления топлива (горение).

5. Прекращение горения и охлаждение ПС.

Особенности реализации этапов рабочего процесса:

– подача и распыл топлива в жаровой трубе (ЖТ) осуществляется через форсунку 6 (рис. 1.2) с перепадом давлений Δ р _ф = 30…50 кгс/см², что позволяет получать капли диаметром 20…100 мкм;

– при образовании ТВС капли топлива испаряются при перемешивании с воздухом, так как горение топлива возможно только в парообразной фазе;

– воздух, подаваемый в КС, тормозится в диффузоре 7 и делится на два потока: первичный и вторичный.

Первичный – М _в1 ≈ 25…50 % от всего М _в поступает непосредственно в зону горения через фронтовое устройство 2, где образуется богатая смесь
(α = 0,8…1,0) и зона устойчивого горения с температурой Т _ПС =2200…2400 K и средней скоростью потока газа с _ПС = 25…30 м/с.

Вторичный – М _в2  75…50 % от всего М _в охлаждает жаровую трубу, протекая между стенкой ЖТ 4 и корпусом КС: наружным 3, внутренним 8, и поступает в ЖТ поэтапно через ряды отверстий в ЖТ. В зоне догорания к продуктам горения добавляется кислород и происходит догорание топлива, одновременно снижается α и прекращается горение.

 

 

Рис. 1.2. Организация процесса горения
в жаровой трубе КС

 

В зоне смешения вторичный воздух смешивается с горячими газами из зоны горения, температура газа снижается до заданного значения  на выходе из газосборника 5 КС. Вследствие значительного обеднения смеси
(α = 2,4…4) в зоне смешения, догорание топлива в ГТ становится невозможным.

Для обеспечения стабильного горения и повышения полноты сгорания  в первичной зоне ЖТ с помощью фронтовых устройств (ФУ) 1
(рис. 1.3) создается «зона обратных токов» (ЗОТ).

 

                               а                                                             б

 

Рис. 1.3. Типы фронтовых устройств ЖТ: а – лопаточное, б – щелевое

 

Фронтовые устройства обычно размещаются в головной части жаровой трубы. В выполненных двигателях встречается в основном три типа фронтовых устройств:

- лопаточные (завихрители);

- струйные (щелевые);

- конические (основанные на явлении срыва потока).

Лопаточный завихритель 1 (рис.1.3, а) устанавливается концентрично форсунке, а за ним располагается диффузор ЖТ. Лопатки завихрителя могут быть выполнены профилированными или прямыми. В завихрителях с профилированными лопатками проходные каналы для воздуха выполняются сужающимися. В завихрителях с прямыми лопатками площадь проходного сечения постоянна.

Лопаточные завихрители выполняют обычно с числом лопаток 8 – 12, а угол установки φ = (60…80)^о. С дальнейшим увеличением числа лопаток газодинамическая структура потока меняется мало, а гидравлическое сопротивление возрастает.

Лопаточный завихритель создает закрутку воздушного потока, вследствие чего в центре закрученной струи возникает разрежение и образуется зона обратных токов. По мере увеличения угла установки лопаток возрастает зона обратных токов и улучшается стабилизация пламени, однако при этом возрастает гидравлическое сопротивление.

Схема жаровой трубы со струйным фронтовым устройством (стабилизатором пламени) показана на рис. 1.3, б. В передней части жаровой трубы выполняется большое количество малых отверстий или щелей в виде просечек, направляющих первичный воздух на периферию ЖТ. В результате этого втекающие струйки воздуха создают в центре жаровой трубы пониженное давление с образованием зоны обратных токов, которая обеспечивает стабилизацию пламени. Струйное ФУ, по сравнению с лопаточным, позволяет уменьшить гидравлическое сопротивление при приемлемом качестве перемешивания.

Лопаточные и струйные фронтовые устройства могут выполняться: осевыми (см. рис. 1.3), радиальными, комбинированными.

Конические стабилизаторы работают как плохообтекаемые тела. Если плохообтекаемое тело установлено в потоке воздуха, за ним образуется зона вихреобразования, срывные течения и обратные токи. Такой принцип создания зоны обратных токов широко применяется в форсажных камерах сгорания.

Основная часть первичного потока воздуха поступает в ЖТ через фронтовое устройство и отбрасывается на периферию ЖТ (см. рис. 1.3).

В центре ЖТ образуется зона пониженного давления, в которую устремляется воздух с периферии навстречу потоку. Возникает зона циркуляции (пониженных и отрицательных скоростей), в которой возможно качественное смешивание топлива с воздухом, устойчивое горение, а также подача горячих ПС из зоны горения к факелу распыла топлива форсункой. Это способствует быстрому испарению капель и поджиганию вновь образующейся ТВС.

В факеле распыла максимальная концентрация топлива достигается на поверхности конуса распыла, в этом месте происходит воспламенение ТВС и ее устойчивое горение.

Первоначальное воспламенение ТВС в ЖТ при запуске ГТД осуществляется запальной свечой зажигания 1 (см. рис. 1.2) или пусковым воспламенителем факельного типа. Пусковой воспламенитель представляет собой миниатюрную КС со свечой зажигания и топливной форсункой. Эффективность работы пускового воспламенителя факельного типа определяется температурой, глубиной проникновения его факела внутрь ЖТ и местом расположения его в КС относительно фронтового устройства. По окружности КС в нескольких ЖТ устанавливают воспламенители для устойчивого воспламенения ТВС в момент запуска двигателя. В остальных ЖТ ТВС при запуске воспламеняется через пламеперебрасывающие патрубки. Обычно в индивидуальных (трубчатых) камерах сгорания ГТД наземного применения для большей надежности воспламенители устанавливают во все жаровые трубы.