Нормальная, богатая и бедная топливо-воздушные смеси

При образовании и сгорании горючей смеси на каждый килограмм топлива может расходоваться различное количе­ство воздуха. То количество воздуха, которое действительно расходуется на сжигание 1 кг топлива, называется дей­ствительным количеством воздуха и обозначается буквой L_Д.

Если теоретически необходимое количества воздуха - ве­личина определенная для каждого сорта топлива, то дей­ствительное количество воздуха может иметь практиче­ски любую величину: 7, 10, 15, 70, 100 и т. д. килограммов воздуха на каждый килограмм сжигаемого топлива.

Для оценки качества горючей смеси, образующейся и сго­рающей в зоне сгорания, служит коэффициент избытка воз­духа. Коэффициентом избытка воздуха назы­вается отношение действительно поданного количества воз­духа л теоретически необходимому; обозначается он грече­ской буквой α. (альфа).

 

Это безразмерный коэффициент; он показывает, во сколько раз действительное количество воздуха, расходуе­мое на сгорание 1 кг топлива, больше или меньше теорети­чески необходимого количества воздуха.

Топливо - воздушная смесь, составленная из 1 кг керосина и 15 кг воздуха, называется нормальной (теоретиче­ской) смесью. Коэффициент избытка воздуха для нее равен 1.

Все знакомы с керосиновой осветительной лампой. По­смотрите, как происходит в ней сгорание керосина (рис. 22, положение А). Керосин по фитилю подается к горелке, где испаряется. Пары керосина перемешиваются с воздухом и сгорают в зоне горения, давая яркий факел пламени. Яркое устойчивое пламя и отсутствие копоти указывает, что в зону горения подается как раз столько воздуха, сколько его необходимо для полного сгорания керосина. В зоне горения' обра­зуется нормальная смесь с а=1 или немного обогащенная. В зоне горения камеры сгорания реактивного двигателя так­же стараются получить нормальную или немного обогащен­ную смесь - она хорошо загорается от электрической искры я устойчиво горит.

Увеличим подачу керосина - вывернем фитиль, при этом пламя станет темным, начнет колебаться, появится копоть (рис. 2, положение Б). Почему? Потому, что подача воз­духа осталась почти неизменной, так как размер стекла не изменился, а подача топлива увеличилась, и топливовоздуш­ная смесь стала богатой топливом. При сгорании богатой смеси кислорода не хватает, чтобы сгорел весь керосин, поэтому часть керосина остается несгоревшей и улетает в виде дыма и копоти.

Рис. 22 Горение бедной, нормальной и богатой смесей

Топливовоздушная смесь, в которой на 1 кг керосина приходится воздуха меньше 15 кг, называется богатой смесью. Коэффициент избытка воздуха у богатой смеси меньше единицы: α < 1.

Чем больше увеличивать подачу керосина в лампу, тем более богатой будет смесь. Пламя начнет мигать, выделение копоти увеличится - процесс горения керосина будет идти неустойчиво, вяло, и при сильном обогащении смеси пламя погаснет. Для улучшения процесса сгорания смесь надо обеднить -уменьшить подачу керосина. Будем уменьшать, по­дачу топлива - ввертывать фитиль. Пламя начнет переходить в ярко-желтый цвет, это значит, что топливовоздушная смесь имеет нормальный состав, т. е. у нее α=1. При даль­нейшем ввертывании фитиля пламя лампы из ярко-желтого будет переходить в синий, голубой цвет, пламя начнет дро­жать, вспыхивать - процесс горения станет неустойчивым (рис. 22, положение В).

Что же случилось с горением? Количество воздуха, про­текающего через лампу, осталось неизменным, а количество керосина, поступающего в зону горения, уменьшилось, горю­чая смесь стала бедной. Бедная смесь горит медленно, плохо поджигается (поэтому при разжигании лампы вывертывается фитиль).

Таким образом, если в смеси на 1 кг керосина приходится воздуха больше 15 кг, то такая смесь называется бедной. Коэффициент избытка воздуха в бедной смеси больше еди­ницы α > 1. Например, смесь, состоящая из 1 кг керосина и 20 кг воздуха, будет бедной. При сгорании ее сгорит весь керосин, но часть кислорода воздуха останется неиспользо­ванной. Продукты сгорания бедной смеси гореть не могут.

В турбореактивном двигателе а зависимости от режима работы на каждый килограмм сгорающего керосина прихо­дится от 50 до 90 кг воздуха.

Следовательно, через двигатель протекает в 3 - 6раз больше воздуха, чем необходимо для полного сгорания топ­лива, подаваемого в камеры сгорания. По предложению инженера Базарова (1924 г.) воздух в камере сгорания раз­деляется на два потока, меньшая часть его направляется а зону горения и используется там для окисления топлива (для сгорания топлива). В зоне горения добиваются образо­вания нормальной смеси, которая хорошо горит. Остальная, большая часть воздуха (вентиляционный или вторичный воздух) в горении не участвует, она служит только для охлаждения нагретых деталей двигателя и для “разбавления” продуктов сгорания, образующихся в зоне горения.

КАМЕРА СГОРАНИЯ

Камера сгорания - элемент ТРД, где происходит непре­рывное образование и сгорание топливовоздушной смеси и повышение температуры газов. Камера сгорания является очень ответственным элементом двигателя. От ее устройства и осуществления процесса сгорания зависят экономичность двигателя, надежность работы и длительность эксплуатации как самой камеры сгорания, так и двигателя.

Камера сгорания должна удовлетворять следующим тре­бованиям:

1. Объем камеры сгорания должен обеспечивать возмож­но высокую теплонапряженность, т. е. камера должна иметь малый объем, что уменьшает ее размеры и вес. Под теплонапряженностью камеры сгорания понимают количество тепла, выделяющееся единице объема (1 м³) камеры в течение 1 часа. Ждя современных камер сгорания (середина 50-х) теплонапряженность достигает 150000000 кал/м³ в час.

2. Топливо в камере сгорания должно сгорать полностью, В современных камерах полнота сгорания достигает 97 - 98%.

3. При запуске двигателя на земле и в воздухе должно обеспечиваться надежное поджигание смеси.

4. Нагретые детали камеры сгорания должны хорошо охлаждаться, это обеспечивает их работу длительное время без дефектов (прогаров, коробления, трещин и нагара от действия пламени).

5. Камера сгорания должна иметь небольшое гидравли­ческое сопротивление движению воздушного потока (давле­ние газов в камере сгорания должно уменьшаться незначи­тельно).

6. В камере должно обеспечиваться устойчивое горение смеси, т.е. не должно быть колебаний, затухания и срывом пламени при всех режимах работы двигателя.

7. Горение должно заканчиваться в жаровой трубе. Факел пламени не должен доходить до лопаток газовой тур­бины во избежание перегрева и обгорания их.

8. Температура газового потока на выходе из камеры сго­рания должна быть одинаковой по всему сечению, чтобы не получилось местного обгорания или оплавления сопловых лопаток турбины.

На современных ТРД наибольшее распространении получили трубчатые камеры сгорания. Они просты по конструк­ции, надежны о работе и удобны в эксплуатации - легко снимаются для осмотра, ремонта и замены без разборки дви­гатели.

Трубчатая камера сгорания (рис. 23) состоит из внутрен­ней жаровой трубы и внешнего кожуха сгорловиной.

Жаровая труба сварена из листов жаростойкого сплава. В передней части жаровой трубы приварены конус для за­бора первичного воздуха, диск и конус с отверстиями для прохода воздуха. В конусе помещается лопаточный завихритель - для придания потоку воздуха вращательного дви­жения.

Внутри завихрителя помещается форсунка, впрыскиваю­щая топливо в завихренный поток воздуха; этим достигается хорошее перемешивание топлива с воздухом.

На конической части жаровой трубы сделаны отверстия большого размера для подвода вторичного воздуха внутрь жаровой трубы.

Жаровые трубы соединяются между собой соединитель­ными патрубками, через которые передается пламя при за­пуске и выравнивается давление газов в соседних камерах сгорания.

Рис. 23. Трубчатая камера сгорания