Организация процесса горения

Рис.1.37. Зависимость температуры Т г от коэффициента избытка воздуха αв при Тк* = 900 К (^____) и 700 К (----)

Сжигание топлива - сложный физико-химический процесс высвобождения химической энергии топлива и преобразования ее в теплоту 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 характеризуется коэффициентом избытка воздуха α_в. Он представляет отношение расхода воздуха, действительно проходящего через камеру сгорания G _{в .}, к расходу, теоретически необходимому, для полного сгорания подаваемого топлива.

Поскольку для полного сгорания 1 кг топлива требуется L₀ = 14,8 кг воздуха (стехиометрическое число), то:

α_в = ,

где G _т – количество топлива, подаваемого в двигатель, кг.

При α_в =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 α_в<1, то воздуха поступает меньше, чем это необходимо для сгорания топлива. Часть топлива остается несгоревшей. Такая смесь называется богатой (топливом). Если α_в >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.)

Поэтому организация процесса горения топлива в основных камерах ГТД основывается на двух принципах, позволяющих обеспечить устойчивое горение топлива при больших значениях и высоких скоростях движения потока в них:

1. Весь поток воздуха, поступающий в камеру сгорания, разделяется на две части, из которых только одна часть подается непосредственно в зону горения (где за счет этого создается необходимый для устойчивого горения состав смеси). А другая часть направляется в обход зоны горения (охлаждая снаружи жаровую трубу) в так называемую зону смешения (перед турбиной), где смешивается с продуктами сгорания, понижая в нужной мере их температуру

2. Стабилизация пламени в зоне горения обеспечивается путем создания в ней зоны обратных токов, заполненной горячими продуктами сгорания, непрерывно поджигающими свежую горючую смесь.

На рис. 1.37а показана схема трубчато-кольцевой камеры сгорания. Камера состоит из жаровой трубы и корпуса. В передней части жаровой трубы, которую называют фронтовым устройством, размещаются форсунка для подачи топлива и лопаточный завихритель. Для уменьшения скорости воздуха в камере на входе в нее (за компрессором) выполняется диффузор, благодаря которому скорость воздуха перед фронтовым устройством обычно не превышает 50 м/с. Воздух, поступающий в камеру сгорания из компрессора, делится на две части G в I и G в II. Одна часть G в I направляется в зону горения, а вторая часть G в II в зону смешения. Первая часть, так называемый первичный воздух G в I, поступает непосредственно через фронтовое устройство к месту расположения факела распыла топливной форсунки и используется для формирования богатой топливной смеси такого состава, который обеспечивал бы на всех режимах достаточно быстрое и устойчивое сгорание.

Вторая его часть (так называемый вторичный воздух G в II) через боковые отверстия в жаровой трубе поступает в камеру для завершения процесса горения (первичного воздуха для этого недостаточно). Общее количество воздуха, поступающего в зоны горения, обеспечивает в ней коэффициент избытка воздуха порядка = 1,6…1,7, что со ответствует устойчивому горению, полному сгоранию и температуре порядка 1800…1900 К.

 

 

Рис. 1.37а. Кольцевая камера сгорания

Жаростойкость материалов лопаток турбины ограничивает допустимые значения температур газов на выходе из камеры сгорания (Т^*_г=1600…1800К), которые определяются α_в=2,5…3,5. Важно отметить, что при α_в,<0,6 и при α_в,>1,7 воздушно-топливные смеси являются негорючими.