Рабочий процесс камер сгорания

Рабочий процесс сгорания топлива в камерах сгорания ГТД и ГТУ настолько сложен, что затрудняет разработать методику теоретического расчета, однако ряд научных исследований позволили инженерам располагать достаточно обширным материалом, позволяющим выполнять основ­ные расчеты и правильно выбирать конструктивные параметры камер сгорания. Составляющими рабочего процесса в камерах сгорания являются аэродина­мика течения газа, характер подачи топ­лива, стабилизация пламени, условия тепло- и массообмена, тепловыделение по длине жаровой трубы. Воздух, поступающий в каме­ру сгорания, имеет высокую скорость, порядка 200 м/с, снижение скоро­сти происходит в диффузоре камеры, после которого она сос­тавляет для стационарных ГТУ величину 30-60 м/с и для авиацион­ных ГТД до 120 м/с. Головная часть жаровой трубы назы­вается фронтовым устройством. Фронтовое устройство формирует поток определённой струк­туры, оно должно обеспечить быструю подготовку свежей сме­си и надёжную стабилизацию факела пламени во всём диапазо­не изменения параметров воздуха и топлива при эксплуатации двигателя. Конструкция фронтового устройства обусловливает особенности рабочего процесса в жаровой трубе и основные характеристики камеры сгорания – по срыву пламени и по полноте сгорания.

Наибольшее распространение получили камеры сгорания с фронтовыми устройствами, образованными лопаточными завихрителями с последующим переходным конусом, соединяющимся с ци­линдрической частью жаровой трубы. После торможения в диф­фузоре поток разветвляется, меньшая часть идет во фронто­вое устройство (первичный воздух), остальная часть воздуха в рубашку камеры сгорания, откуда поступает в жаровую трубу через отверстия для вторичного воздуха, отверстия или щели для создания пелены, охлаждающей стенки жаровой трубы и в отверстия смесителя. Фронтовое устройство должно обеспечить безотрывность течения закрученной струи вдоль стенок пере­ходного конуса. Это условие ставится для уменьшения гидравлических потерь в камере из-за вихреобразования и пара­зитных течений, возможного прогара стенок ввиду стабилиза­ции пламени в вихре на стенке и нагарообразования.

Лопаточный завихритель образуется прямыми или профилированными лопатками, выходная сторона которых наклонена к оси камеры сгорания под углом φ , вследствие чего поток воздуха, выходящий из завихрителя, оказывается закрученный. Введение закрутки в поток вызывает центробежный эффект, ко­торый заключается в том, что появляется разрежение на оси камеры, и возникающие при этом силы уравновешивают силы, зазванные вращением жидкости. В свою очередь эжектирующее действие струй и турбулентность, развивающаяся в поле течения, вызывают радиальные перетекания жидкости. В результате в головной части жаровой трубы появляется зона обратных токов, а в поле течения кроме осевых скоростей появляются ещё тангенциальные и ра­диальные составляющие скорости. Схема головной части камеры сгорания с лопаточным завихрителем показана на рис.4.1 а. В головной части камеры сгорания, показанной на рис.4.1 б, также образуется зона обратных токов, но причиной ее появления является эжектирующей дейст­вие струек воздуха, истекающих из выштампованных отверстий вдоль стенки полусферической головки, и турбулентность потока.

На рис 4.2 а - г показаны схемы различных лопаточных завихрителей. На рис. 4.3 в верхней части камеры показаны поля осевых скоростей W_x . Границей зоны обратных токов является гео­метрическое место точек, на котором осевая скорость рав­няется нулю. Диаметр и длина зоны обратных токов зависят величины закрутки, т.е. от конструкции завихрителя, угла наклона стенки переходного конуса, отношения радиуса жаровой трубы к радиусу завихрителя.

Внешняя поверхность закрученного потока, истекающего из лопаточного завихрителя, определяется конструктивными па­раметрами завихрителя и переходного конуса. Характер взаимодействия потока со стенкой переходного конуса должен учитываться при проекти­ровании камеры сгорания.

Рис.4.1. Фронтовые устройства камер сгорания: а – с лопаточным завихрителем, б – с полусферической головкой; 1 – воздухозаборник, 2 – лопаточный завихритель, 3 – переходный конус, 4 – полусферическая щелевая головная часть жаровой трубы

Рис.4.2. Лопаточные завихрители: а – плоский, б – полуконический, в – конический, г – цилиндрический, д – комбинация завихрителей камеры сгорания стационарного ГТУ ГТ-700-4, е – комбинация завихрителей камеры сгорания ГТУ ГТК-10

Рис.4.3. Структура потока во фронтовом устройстве камеры сгорания с лопаточным завихрителем

В камерах сгорания ГТД и ГТУ может сжигаться жидкое или газообразное топливо различных сортов. Процесс сгорания в камере существенно зависит от вида топлива и спосо­бов подачи в жаровую трубу. Жидкое топливо подается цен­тробежными форсунками, а газообразное -специальными газогорелочными устройствами.

Рассмотрим схему организации рабочего процесса на при­мере широко распространенной и довольно хорошо изученной камеры сгорания авиационного типа, работающей на жидком топливе. Схема рабочего процесса в камере сгорания с лопаточным завихрителем представлена на рис. 4.3.

Топливо с углом конуса распыла 2α вводится форсункой в кольцевую струю воздуха вблизи зоны обратных токов, где образуется смесь, состоящая из паров и капель топлива и воз­духа. По мере удаления от завихрителя происходит перемеши­вание топлива с воздухом, концентрация выравнивается, и ве­личина её максимума в сечении уменьшается. Мелкие капли и пары следуют по линиям тока, а крупные капли топлива могут от­клоняться от линий тока воздуха и даже достигать стенок жаровой трубы, что нежелательно из-за возможности нагарообразования.

Факел пламени в жаровой трубе стабилизируется на геометричес­ком месте точек СТ, образующих кольцо, расположенное около границы зоны обратных токов, которая при горении несколь­ко уменьшается. В точке СТ должно выполняться условие равенства скорости подвода смеси к точке С и мест­ной скорости распространения пламени, то есть W_xc = U_ТС. Около зоны обратных токов W_x стремится к нулю и поэтому условие ста­билизации -выполняется.

В реальной камере сгорания точка СТ все время колеблется вокруг некоторого среднего положения. От этой точки вниз по потоку формируется зона турбулент­ного горения, граница которой, косой фронт пламени, со скоро­стями U_Тi, определяемыми местными условиями, распространя­ется в сторону свежей смеси.

В настоящее время еще не создано единой теории стаби­лизации. Рассматривавшиеся до сих пор соображения в основ­ном касались аэродинамической и кинетической стороны воп­роса. Существуют однако теории, в которых полагается, что срыв пламени обусловливается нарушением теплового баланса процесса воспламенения. В частности, некоторые исследовате­ли рассматривают зону обратных токов как сильно нагретое тело, определяющее условия зажигания свежей смеси. Однако несомненно, что турбулентность является основным звеном явлений, определяющих стабилизацию фронта пламени, и одним из определяющих факторов является скорость турбулентного горения U_T.

В камерах сгорания газотурбинных двигателей наряду с другими элементами, определяющими стабилизацию пламени в пограничном слое, как главный фактор стабилизации выступает термическая рециркуляция, когда к корню факела пламени, то есть к точке стабилизации, возвращается часть сильно нагре­тых продуктов сгорания. Эти газы подогревают свежую смесь и обеспечивают её воспламенение.

Аэродинамической основой этого процесса является зона обратных токов, образующаяся в закрученном потоке за лопа­точным завихрителем или за плохообтекаемым телом. В качестве плохообтекаемых тел чаще всего используются конические или уголковые стабилизаторы. Топливо и воздух вводятся в камеру раздельно, и смешиваясь за стабилизато­ром, образуют горючую смесь. От быстроты их перемешивания зависит протекание процес­са стабилизации. Топливо вводится в камеру сгорания форсун­ками, причем конус топлива из сопла форсунки должен входить в поток около внешней границы зоны обратных токов. После поджигания смеси воспламенителем он может быть по­гашен, и дальнейшая стабилизация будет обеспечиваться самим про­цессом.

Если не все капли топлива в смеси испарились, то про­цесс приближается к случаю горения двухфазной смеси. По мере выгорания смеси от передней границы фронта к задней его границе температура возрастает, а концентрация топлива па­дает. В зоне обратных тонов температура максимальна, а кон­центрация стремится к нулю.

В камерах сгорания авиационных и транспортных ГТД, рабо­тающих в широком диапазоне режимов, процесс организуется таким образом, что основное выгорание топлива происходит на струях вторичного воздуха, а в головной части жаровой трубы тепловы­деление достигает всего 15 ÷ 25 % . Продольные разрезы блочной и кольцевой камер сгорания показаны на рис. 4.4.

Рис.4.4. Камеры сгорания ГТД: а – трубчато-кольцевая (блочная), б – кольцевая; 1 – диффузор, 2 – форсунка, 3 – лопаточный завихритель, 4 – жаровая труба, 5 – наружный кожух, 6 – первичный воздух, 7 – фронтовое устройство, 8 – вторичный воздух

Для полного выгорания топлива важна правильная дози­ровка воздуха в начальной части жаровой трубы. Для многоре­жимных камер коэффициент избытка воздуха за завихрителем выбирают в пределах α_I = 0,3 ÷ 0,5. Расход воздуха че­рез завихритель используется для образования горючей сме­си и стабилизация факела пламени. Резкое изменение режима работы при такой величине α₁ не приводит к срыву горе­ния.

Баланс расходов воздуха, проходящего через камеру, имеет вид:

,

где G_вΣ – общий расход, проходящий через камеру сгорания, G_всг – воздух для сгорания, G_вохл – воздух, идущий на охлаждение стенок жаровой трубы; G_всм – воздух, предназначенный для охлаждения продуктов сгорания и формирования температурного поля перед турбиной; G_вохлТ – расход воздуха, служащего для охлаждения турбины.

Для обеспечения процесса сгорания идёт следующий расход воздуха:

G_всг= G_вI + G_вIIсг + G_вохлфр,

где G_вI – расход воздуха через фронтовое устройство, G_вII – часть вторичного воздуха, идущего для сгорания топлива; G_вохлфр – воздух для охлаждения фронтового устройства. Остальной вторичный воздух идёт на разбавление продуктов сгорания в зоне смешения и на охлаждение стенок жаровой трубы. Коэффициент избытка воздуха, идущего на сгорание топлива:

Если общий коэффициент избытка воздуха равен 4, то величина расходов в процентном отношении к общему расходу воздуха составляет примерно следующие величины:

G_вI ≈ 10%, G_вIIсг ≈ 25%, G_вохл ≈ 25%, G_всм ≈ 35%, G_вохлТ ≈ 5%

В камерах сгорания стационарных ГТУ отверстий для вто­ричного воздуха в жаровой трубе часто не делается, посколь­ку весь воздух, необходимый для сгорания, подаётся через фрон­товое устройство. Конструкция смесителя может быть выпол­нена дырчатой или сопловой, когда воздух в жаровую трубу подается из рубашки по патрубкам или по соплам, увеличивающим глубину проникновения струй. В некоторых камерах сгорания, например в трехрегистровой камере сгорания НЗЛ, смеситель лепесткового типа. В камерах сгорания Нев­ского завода использовались также вихревые смесители.

Рабо­чий процесс любой камеры сгорания во многом определяется её кон­струкцией, которая в свою очередь зависит от назначения двигателя или установки в целом.