Организация рабочего процесса в основной камере сгорания ГТД.

Проблема устойчивого факела горения топлива в потоке воздуха при достаточно высоких скоростях течения была с успехом разрешена благодаря изобретению советского инженера В.И.Базарова, который ещё в 1924 году предложил использовать в конструкции камер сгорания принцип разделения потоков воздуха. Принципиальная схема такой камеры сгорания показана на рис.3.23.

Рис.3.23. Принципиальная схема камеры сгорания и изменение

температуры и скорости потока по её тракту:

I - наружная оболочка камеры; 2 - жаровая труба; 3 - фронто­вое

устройство (завихритель); 4 - трубопровод к топливной форсунке;

5 - внутренняя оболочка камеры; 6 - пламя;

диаметр трубы; I, 2, 3, 4, 5 - зоны торможения, подготовки топливо-

воздушной смеси, горения, смешения и ускорения потока газа;

первичный расход воздуха; расход вторичного воздуха;

расход воздуха на входе в камеру

Организацию рабочего процесса в данной камере сгорания можно приближенно разбить на пять зон.

В первой зоне осуществляется торможение воздушного потока, поступающего из компрессора со скоростью 100...120 м/с, до скорости 60...80 м/с. Форма канала в этой зоне представляет собой кольцевой диффузор, угол раскрытия которого составляет не более 8...10°. В конце данной зоны воздушный поток делится на две части.

Первая часть - первичный воздух (примерно 5... 15 % от общего расхода ) поступает во фронтовое устройство (завихритель) жаровой трубы.

Вторая часть - вторичный воздух (85...95 %) поступает в пространство между жаровой трубой и наружным и внутренним корпусами.

Во второй зоне осуществляется подготовка топливовоздушной смеси. С этой целью фронтовое устройство трубы обеспечивает закрутку потока первичного воздуха относительно оси трубы (рис.3.24). Устройство представляет собой лопаточный аппарат с 7-11 лопатками и обеспечивает получение окружной составляющей скорости на выходе (угол выхода потока воздуха из устройства 65...75°).

Рис.3.24. Схема течения воздуха и эпюры осевых составляющих его скорости в головной части жаровой трубы и различные типы фронтовых устройств:

а) лопаточный; б) щелевой; в) струйный

В некоторых камерах сгорания функцию фронтового устройства вы­полняют специальные щели на передней поверхности жаровой трубы,

расположенные так, чтобы первичный воздух поступал в трубу под углом к её оси.

Воздушный поток, выходящий из фронтового устройства, описывается законом постоянной циркуляции ( ), в соответ­ствии с

которым окружная составляющая скорости у стенки трубы оказывается меньше, чем в центре трубы.

Соответственно, скорость по­тока вблизи стенки трубы оказывается меньше, чем в центре. На осно­вании уравнения Бернулли ( ) снижение скорости потока на периферии трубы вызывает увеличение статического давления .

В центре жаровой трубы, наоборот, статическое давле­ние оказывается меньше, чем на периферии.

Под воздействием разности давлений у стенки и в центре трубы воздушный поток в ней начинает двигаться к центру, образуя зону об­ратных токов (рис.3.24). По мере движения потока вдоль оси трубы скорость вращения потока за счет сил трения уменьшается, а следова­тельно, снижаются центробежные силы, действующие на поток. Поэтому статическое давление на оси жаровой трубы по мере удаления от топ­ливной форсунки выравнивается.

Топливная форсунка предназначена для распыливания топлива - дроб­ления жидкости на мелкие капли. При уменьшении среднего диаметра ка­пель их общая поверхность увеличивается, что ускоряет прогрев и испа­рение жидкости и улучшает контакт топлива с воздухом.

В камеру сгорания топливо подается под давлением, создаваемым топливным насосом. Распыливание происходит в процессе впрыска при ис­течении жидкости из сопла форсунки. Струя жидкости распадается под воздействием внешних сил сопротивления среды, в которую производится впрыск, и внутренних сил, обусловленных турбулентным (вихревым) дви­жением, возникающим в самой струе при её течении. Интенсивность воз­действия внешних сил зависит от скорости истечения жидкости из форсун­ки, а также от плотности той среды, в которую производится впрыскивание. Скорость истечения, в свою очередь, определяется величиной перепада давления на форсунке, под которым происходит впрыск. Поэтому увеличе­ние этого перепада давления является наиболее радикальным средством воздействия на качество распыливания топлива. Более крупные капли, скорость движения которых по тракту жаро­вой трубы не равна скорости потока воздуха, продолжают дробиться и после истечения из форсунки до тех пор, пока уменьшающиеся в диамет­ре в результате дробления и

частичного испарения капли не будут пол­ностью увлечены потоком (в зоне обратных токов и в других зонах тру­бы).

Внутренние силы зависят от скорости истечения топлива из форсун­ки, диаметра струи, формы и состояния поверхности каналов её сопла. Они могут быть усилены искусственно; например, путем закрутки топ­лива в распылителе, а в некоторых случаях за счет столкновения от­дельных струй.

Качество распыливания топлива оценивается рядом показателей, основными из которых являются: тонкость и однородность распыливания;

дальнобойность струи; угол конуса распыливания.

Для определения тонкости и однородности распыливания применя­ют вместо топлива расплавленный парафин. Капли расплавленного пара­фина в воздухе затвердевают. Их сортировка по размерам осуществля­ется просеиванием через несколько сит.

Дальнобойностью струи называют длину факела распыливания топ­лива (длину конуса топлива). Она зависит от типа форсунки (меньше у струйных форсунок, больше у центробежных форсунок) и перепада дав­ления на форсунке, а также от угла конуса распыливания. Для струй­ных форсунок угол распыливания составляет обычно 15...20°, для центробежных форсунок - 90...120°.

Схема работы центробежной форсунки приведена на рис.3.25. Топливо подается насосом по каналу (I) в цилиндрическую вихревую камеру (2) с коническим выходным отверстием - соплом (3). Благода­ря тангенциальному расположению подводящих каналов топливо приводит­ся в интенсивное вращательное движение. По мере перемещения вдоль сопла скорость вращения топлива возрастает обратно пропорционально радиусу канала. В соответствии с уравнением о моменте количества движения на выходе из сопла топливо развертывается в коническую пе­лену (4), толщина которой по мере удаления от форсунки быстро уменьшается, она теряет устойчивость и распадается на капли. На форму пе­лены оказывают влияние давление впрыска, противодавление среды (давление воздуха), плотность , силы поверхностного натяжения жидкости, вязкость её. Например, увеличение плотности и вязкости топлива приводит к возрастанию дальнобойности струи, а с увеличением вязкости и сил поверхностного натяжения ухудшается её распылива­ние. Увеличение давления впрыска улучшает тонкость и однородность распыливания, происходит выравнивание топлива по сечению струи.

Испарение распыленного топлива происходит в зоне обратных то­ков. Скорость испарения топлива определяется интенсивностью подвода теплоты от воздуха к каплям и скоростью отвода от них образовавшего­ся пара. Подводимая теплота расходуется на нагрев и испарение жидкости и перегрев диффундирующего в окружающую среду пара. Опыты по­казали, что прогрев жидкости происходит в основном на первой стадии процесса, после чего в

Рис.3.25. Схема центробежной форсунки и изменение удельного потока

топлива по радиусу струи:

1 - подводящий канал топлива; 2 - корпус форсунки (вихревая камера);

3 - сопло; 4 - пелена топлива

ходе испарения температура капель практически не меняется. Эта температура не зависит от радиуса и скорости дви­жения капель, для данного топлива она определяется только температу­рой воздуха.

Для оценки качества подготовки топливовоздушной смеси исполь­зуют коэффициент избытка воздуха , определяемый отношением действительного расхода воздуха в горючей смеси к теоретически необходимому для её полного сгорания: ,

где теоретически необходимое количество воздуха для полного окисления 1 кг топлива; секундный расход топлива; С – доля

углерода в топливе: Н- доля водорода в топливе; 0.232 – доля кислорода в сухом воздухе.

Если принять в расчет нормальное топливо ( ), то теоретически необходимое количество воздуха равно примерно 15 кг.

Если коэффициент избытка воздуха равен единице ( ), то топливо-воздушная смесь называется стехиометрической, а при - «богатой», при - "бедной".

Образование начального пламени не всегда ведет к воспламенению всей смеси: при или количество теплоты, выделяющееся при сгорании, недостаточно для наг­рева соседних слоев до температуры воспламенения. В результате пла­мя, возникающее у источника зажигания, гаснет. Такое явление принято называть "богатым" или "бедным" срывом пламени.

Полное сгорание топлива наблюдается при .

В третьей зоне камеры сгорания происходит горение топливовоздушной смеси. Начальный очаг пламени создается либо электрической свечой (температура искры примерно 10000…20000°С, мощность 4…6 Дж/с), либо специальным воспламенителем. Часть смеси вблизи свечи ионизируется и активизируется. Возникают явления, в которых протекают предпламенные реакции в смеси и её воспламенение в данном месте. Скорость распространения фронта пламени относительно гомоген­ной (однородной) смеси называют нормальной скоростью горения ( ). Её максимальное значение достигается при

Температура пламени в зоне горения достигает значений 2000... 2400 К. Для того, чтобы увеличивающееся в объеме пламя не достигло стенок жаровой трубы, в данную зону через крупные отверстия в стенке трубы подводится около 20...30 % вторичного воздуха. В результате возрастает, фронт пламени в зоне к концу её вытягивается.

В четвертой зоне камеры сгорания происходит смешение вторично­го воздуха (30...50 %), поступающего через отверстия в стенках жа­ровой трубы, с горячими газами, выходящими из зоны горения. Коэффициент избытка воздуха увеличивается и достигает значений 2.7…5, а температура смеси газов соответствует требуемой для турбины (у современных и перспективных ГТД ).

В пятой зоне камеры сгорания осуществляется разгон потока. Ка­нал жаровой трубы выполняется суживающимся (конфузорным), что обеспечивает увеличение скорости к выходу из камеры до 150...160 м/с.

Ускорение потока газа способствует выравниванию поля температур газа перед турбиной.

3.14. Схема и принцип действия газовой турбины авиационного ГТД.