ФОРСАЖНЫЕ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ И ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА

ГОРЕНИЯ В НИХ

Рис. 9.6. Схема форсажной камеры сгорания

Состав горючей смеси в форсажной камере отличается от такового в основных камерах сгорания прежде всего тем, что на расчетном режиме их работы температура газа на выходе из неё составляет 2000…2300 К, что может быть достигнуто только при суммарном коэффициенте избытка воздуха , уже не требующем снижения для организации процесса горения. Поэтому в форсажной камере отпадает необходимость разделения её на зону горения и зону смешения. Кроме того, температура среды, в которую впрыскивается топливо, здесь выше, чем в основных камерах сгорания, что облегчает процесс испарения топлива и последующего воспламенения смеси. Но скорость потока газа в форсажных камерах по габаритным соображениям приходится иметь значительно более высокой, чем в основных камерах (порядка нескольких сотен м/с). Поэтому для стабилизации процесса горения в них также организуются зоны обратных токов. Кроме того, в связи с тем, что коэффициент избытка воздуха в форсажной камере на её расчетном режиме близок к единице, необходимо обеспечит такое распределение впрыскиваемого топлива по пространству камеры, при котором по возможности было бы исключено местное переобогащение смеси, ведущее к неполному сгоранию.

На рис. 9.6 показана типичная схема форсажной камеры сгорания, уста­новленной за турбиной ТРД. На входе в камеру имеется небольшой диффузор 7. За ним расположено фронтовое устройство, состоящее из нескольких стабилизаторов пламени 5 (пластин или колец v-образного сечения) и большого числа (часто нескольких десятков) форсунок 1, объединенных в несколько топливных коллекторов (на рис. 9.6 их два). Большое число форсунок обеспечивает равномерность состава смеси по объему камеры, а наличие нескольких коллекторов позволяет путем их частичного отключения сохранить на пониженных режимах (т.е. при сниженном общем расходе топлива) необходимый для устойчивого горения состав смеси около тех форсунок, которые еще не отключены.

Рис. 9.7. Структура потока возле V – образного стабилизатора

Структура потока за V-образным стабилизатором по­казана на рис. 9.7. В ре­зультате срыва потока с кромок стабилизатора за ним (как за всяким плохо обтекаемым телом) возни­кает зона обрат­ных токов. Впрыск топлива часто производится против потока газа (для улучшения распыла) и при этом форсунки распола­гают так, чтобы часть впрыскиваемого топлива попада­ла непосредственно на поверхность стабилизаторов, образуя на ней жидкую пленку, которая затем стекает с их задних кромок. Благодаря этому в следе за стабилизатором создается зона бога­той смеси, наличие которой повышает устойчивость горения на ре­жимах с повышенными значениями .

Для защиты стенок форсажной камеры от прогара за стаби­лизаторами устанавливается теплозащитный экран 2 (см. рис.9.6), не несущий ме­ханических нагрузок и омываемый снаружи сравнительно холод­ным потоком газа, выходящего из турбины или из камеры смешения и не смешанного с топ­ливом. Кроме того, корпус форсажной камеры 4 для его охлаждения обычно в полете обдувается снаружи воздухом, подаваемым под капот 3.

Одна из серьезных трудностей, которую приходится преодо­левать при создании форсажных камер, - возникновение особого вида не­устойчивости в их работе, называемого ²вибрационным горением". Вибрационное горение проявляется в виде колебаний давления с частотой порядка 10²…10³ Гц, вызывающих сильные вибрации эле­ментов конструкции камеры и ведущих к их быстрому разрушению, а также к усталостным разрушениям других деталей двига­теля. Эти колебания могут быть как продольными (т.е. происходящими вдоль оси камеры), так и поперечными или смешанными.

Исследования показали, что механизм вибрационного горения связан с влиянием колебаний давления и скорости газового потока в камере на интенсивность процесса горения. При обедненных смесях и не очень больших давлениях в форсажной камере колебания тепловыделения обычно не компрессируют рассеивание энергии колебаний газа. Поэтому вероятность возникновения вибрационного горения оказывается наибольшей при полете на малых высотах с максимальной скоростью и высокими значениями температуры газа в форсажной камере.

Основными способами предотвращения вибрационного горения в форсажных камерах являются следующие:

1. Установка гофрированного антивибрационного экрана с перфорированными стенками или со щелями. Такой экран способствует рассеи­ванию поперечных волн давления вследствие неправильного отражения от гоф­рированной поверхности и их поглощению (демпфированию) благодаря нали­чию перфорации.

2. Помещение стабилизаторов близко к узлам стоячих волн давления и ско­рости, возникающих в камерах при колебаниях.

3. Увеличение числа стабилизаторов и эшелонирование их по длине каме­ры для снижения «остроты» возможного резонанса.

В эксплуатации возможна еще одна форма проявления неустойчивости в работе форсажных камер - низкочастотные (5…50 Гц) колебания давления в камере, со­провождающиеся колебаниями давления топлива перед форсунками и расхода топлива. Эти явления могут возникать при малых перепадах давления на фор­сунках (т. е. на пониженных форсажных режимах и на больших высотах полета) и связаны обычно с ухуд­шением распыла топлива и с наличием обратной связи между колебаниями дав­ления в камере и колебаниями расхода топлива.