Классификация конструктивных схем камер сгорания

Конструктивное оформление газотурбинных двигателей может быть самым разнообразным в зависимости от их назначе­ния. Камеры сгорания авиационных и транспортных ГТД обычно располагаются в кольцевом пространстве между компрессором и турбиной (встроенные камеры). Типичный пример такой ком­поновки представлен на рис. 1.1.

Компоновочные схемы с выносными камерами сгорания чаще применяются в стационарных ГТУ большой мощности. В этом случае камера связана с компрессором и турбиной трубопро­водами (рис.1.2). Встроенные камеры сгорания ГТД и ГТУ по конструктивно­му оформлению можно разделить на четыре типа:

1. Секционные

2. Трубчато-кольцевые (блочные)

3. Кольцевые

4. Индивидуальные.

Камеры сгорания первого типа представляют собой несколько отдельных самостоятельных камер, расположенных вок­руг двигателя между компрессором и турбиной (в авиации они называются индивидуальными). Блок секционной камеры содержит 6-12 индивидуальных камер (рис.1.3). Для испытания такой камеры не требуется больших расхо­дов воздуха, они удобны для осмотра и в случае необходи­мости могут быть заменены без разборки двигателя. Одна­ко такие камеры имеют ряд недостатков, в частности плохое использование габаритов двигателя (суммарная площадь попе речного сечения камер составляет 65~70 % от кольцевой площади, на которой они расположены), большие гидравлические потери и ряд других.

Рис 1.1. Схема турбовинтового двигателя: I - воздушный винт, 2 – редуктор, 3 – компрессор, 4 - камера сгорания, 5 – турбина, 6- реактивное сопло

Рис.1.2. Схема одновальной ГТУ: I – турбина, 2 - компрессор, 3 - камера сгорания, 4 – генератор, 5 - пусковой мотор-возбудитель

Рис.1.3. Секционная (индивидуальная) камера сгорания: I – кожух, 2 – жаровая труба, 3 – лопаточный завихритель, 4 - пламеперебрасывающий патрубок (пламепровод)

Рис. 1.4. Трубчато-кольцевая камера: 1 - Кожух наружный, 2 – жаровая труба, 3 – пламепровод, 4 – воспламенитель, 5 - кожух внутренний

Рис.1.5. Кольцевая камера сгорания: I - кожух наружный, 2 - жаровая труба, 3 – воспламенитель, 4 - кожух внутренний

Рис 1.6. Камера сгорания ГТ-700-5 (НЗЛ)

Наибольшее распространение в современных транспортных и авиационных ГТД получили кольцевые камеры сгорания (рис.1.5).

В кольцевой камере наилучшим образом используемся отве­денное пространство. Камера при прочих равных условиях получает­ся более легкой, с наименьшим гидравлическим сопротивле­нием и наилучшим запуском, так как по кольцевой жаровой трубе пламя беспрепятственно передается от одной горелки (головки) к другой. Кожух кольцевой камеры сгорания включается в силовую схему двигателя. Недостатками такой камеры являют­ся трудность испытаний, так как требуется большой расход воздуха, меньшая жесткость жаровой трубы, сложность разбор­ки.

В трубчато-кольцевой камере, так же как и в кольцевой, общие внутренний и наружный кожухи - обечайки, а жаровые трубы выполняются отдельно. Продукты сгорания в камере объ­единяются в кольцевом газосборнике перед сопловым аппара­том турбины. Число жаровых труб равно обычно 6 ÷ 12, жаровые трубы соединены между собой пламяперебрасывающими патрубками, которые одновременно служат для выравнивания давления в трубах. При такой системе случайный срыв факела пламени в одной или нескольких жаровых трубах не приводит к погасанию пламени.

Выносные камеры сгорания стационарных ГТУ удобны по тех­нологическим соображениям. Осмотр и замена деталей таких камер совершенно не требуют разборки двигателя. Число форсунок может быть выбрано любым. Однако выносные камеры имеют большие габариты и вес, требуют больших рас­ходов воздуха для доводки при испытаниях и наличие трубо­проводов.-

На рис.1.6 показана камера сгорания газотурбинной уста­новки ГТ-700-5 конструкции НЗЛ.

На некоторых американских ГТД применяются комбинирован­ные камеры сгорания. В общем кольцевом кожухе таких камер размещено несколько жаровых труб, каждая из которых представляет кольцевую камеру. Такое усложнение конструкции выз­вано стремлением получить более равномерное распределение топлива и в конечном счете более равномерное и стабиль­ное поле температур перед турбиной.

Индивидуальная встроенная камера позволяет сократить расстояние между компрессором и турбиной и уменьшить чис­ло форсунок, что особенно важно для малых ГТД.

Несмотря на существенные различия в общей компоновке и большое разнообразие в конструктивном оформлении отдельных элементов камер сгорания газотурбинных двигателей, они в своей основе имеют общие принципы организации рабо­чего процесса.

Наиболее распространенной схемой камеры сгорания ГТД является камера с лопаточным заверителем.

Камера сгорания состоит из цилиндрической или конической жаровой трубы с переходным конусом, лопаточного завихрителя (или нескольких завихрителей) и форсунки для подачи топлива. Каме­ра по характеру рабочего процесса разделяется на зону го­рения и зону смешения. Впрыскиваемое форсункой топливо на­чинает гореть в головной части каровой трубы вблизи завихрителя и окончательно догорает за первыми рядами отверстий, через которые в жаровую трубу подводится вторичный воздух. Для обеспечения требуемого температурного поля на выхо­де из камеры сгорания организуется зона смешения, в которую входит один или несколько рядов отверстий в конце жаровой трубы. Здесь происходит снижение температуры горячих газов до тре­буемого уровня и выравнивание температурного поля. Простран­ство между жаровой трубой и кожухом камеры называется ру­башкой. По рубашке проходит вторичный воздух, постепенно по­ступающий в отверстия в жаровой трубе. Одновременно часть воздуха служит для охлаждения стенок жаровой трубы.

Обычно в камеру сгорания вводится большее количество воздуха, чем это требуется из условия стехиометрии, то есть обеспечения тео­ретически полного сгорания. Избыток воздуха необходим для улучшения условий смесеобразования, исключения химического недожога топлива, перемешивания для снижения температуры газов и формирования температурного поля перед турбиной.

Количество вводимого в камеру сгорания воздуха опреде­ляется суммарным коэффициентом избытка воздуха α:

где L₀ - стехиометрический коэффициент, определяющий теоретически необходимое количество воздуха для полного сжигания 1 кг топлива. Суммарный коэффициент избытка возду­ха в камерах сгорания обычно равен 3 - 5. Для керосина L₀ = 14,8 кг воздуха/кг топлива.