Конструктивные схемы камер сгорания ГТД

По конструктивным схемам КС можно разбить на основании несколь-ких признаков следующим образом.

I. По направлению движения потока газа: прямоточные, противоточные и петлевые (рис. 7). Так как противоточные и петлевые КС имеют большое гидравлическое сопротивление, но значительно меньший осевой габарит, они получили широкое применение в малоразмерных ГТД (газотурбинные стартеры, двигатели одноразового применения, бортовые энергоузлы, вспомогательные двигатели).

В мощных ГТД в настоящее время применяются прямоточные КС.

2. По конструктивному исполнению: кольцевые, трубчато-кольцевые и трубчатые (индивидуальные), см. рис. 8, 9, 10.

Рис. 7. Классификация КС по направлению движения газа: а – прямоточная, б – противоточная, в – полупетлевая. К – компрессор, т – турбина, Ф - форсунка, 1 – жаровая труба.

Рис. 8. Камера сгорания трубчатого типа.

1 – патрубок компрессора, 2 – сферическое стальное кольцо; 3 – 3 – горловина жаровой трубы; 4- форсунка; 5 – наружный кожух камеры, 6 – малая коническая перегородка с отверстиями, 7 – лопаточный стабилизатор, 8 – передняя стенка жаровой трубы, 9 – большая коническая перегородка с отверстиями, 10 - сферическое стальное кольцо, 11 - центрирующий стакан, 12 – цилиндрическая часть жаровой трубы, 13 - коническая часть жаровой трубы, 14 - соединительное перфорированное кольцо, 15 – задняя коническая часть жаровой трубы, 16 – секция сварного кожуха, 17 - центрирующее кольцо, 18 – втулка, 19 - жаровая труба, 20 – наружный сварной кожух.

Рис. 9. Кольцевая камера сгорания: 1 – лопаточный стабилизатор, 2 – блок головок, 3 - дефлектор для выравнивания потока воздуха, 4 – жаровая труба, 5 - внешний кожух, 6 – внутренний кожух.

Рис. 10. Трубчато-кольцевая камера сгорания.

1 – форсунки, 2 – жаровая труба, 3 – кожух камеры сгорания, 4 – стабилизатор (завихритель).

3. По типу образования топливовоздушной смеси.

а) с впрыском топлива по потоку газа;

б) с впрыском топлива против потока газа;

в) с испарительным смесеобразованием.

В настоящее время в отечественном авиадвигателестроении наиболее широко применяются кольцевые прямоточные КС с впрыском топлива по потоку газа с помощью центробежных форсунок.

4. По схеме сжигания топлива: двухзонные и двух­ярусные, обеспечивающие низкий уровень эмиссии оки­си углерода СО и несгоревших углеводородов НС на ре­жимах малой тяги и низкий уровень эмиссии оксидов азо­та на режимах большой тяги.

Кольцевая КС состоит из наружного и внутреннего кожухов, обра­зующих кольцевое пространство, в котором концентрически расположена кольцевая жаровая труба. Она образо­вана наружным и внутренним смесителями, которые объеди­нены фронтовым устройством, включающим от 10 до 132 (в используемых конструкциях) горелок с форсунками (см. чертежи двигателей РД-20, АЛ-7Ф, НК-12, АИ-25, НК-8-2 и др.).

Трубчатая (индивидуальная) КС состо­ит из наружного кожуха и концентрически расположенной в нем жаровой трубы с горелкой (см. чертеж дви­гателя ВК-1Ф). На двигатель ставится от 7 до 16 (в исполнен­ных конструкциях) индивидуальных КС, размещенных в кольцевом пространстве между компрессором и турбиной.

Трубчато-кольцевая КС включает в себя элементы кольцевой и трубчатой камер сгорания. Она представляем собой кольцевое пространство, образованное наружным и внутренним кожухами, в котором размещены отдельное жаровые трубы (от 8 до 16 в исполненных конструкциях), объединенные между собой общим газосборником и соединенные патрубками (дви­гатели АМ-3, Д-30 и др.).

Задача № 9. Классифицировать КС всех изучаемых двигателей. Объяснить, почему двигатели последних выпусков имеют преиму­щественно кольцевую КС.

Достоинства и недостатки трубчатых, кольцевых и трубчато-кольцевых КС указаны в таблице.

Для повышения экономичности и снижения уровня токсичности выбрасываемых продуктов сгорания ГТД, имеющих высокие степени повышения давления воздуха в компрессоре, проводятся исследо­вания двухзонных и двухярусных камер с последовательным и параллельным расположением зон горения.

В обычных КС с одной зоной горения высокая эффективность рабочего процесса обеспечивается в области расчетного режима, а при малых нагрузках качество горения резко ухудшается, пол­нота сгорания топлива уменьшается до 88...93 %. При форсировании по нагрузке рабочего объема процесс горения улучшается, но су­щественно возрастает выход оксидов азота в связи с ростом тем­пературы в зоне горения.

В двухзонных и двухярусных КС можно исключить отмеченные не-достатки. В таких камерах имеются дежурная зона горения, обеспечи-вающая низкий уровень эмиссии оксида углерода СО и несгоревших углеводородов НС на режимах малой тяги, и основ­ная зона горения, позволяющая получить низкий уровень эмиссии оксидов азота NO_х на режимах большой тяги. Эмиссия основных токсичных компонентов по результатам экспериментальных иссле­дований составила

NO_х – 7, 9 г/кг (35), СН- 0, 3 г/кг (30), СО-24 г/кг (73) в радиально-осевой двухзонной КС, а в двухярусной камере: NO₃ – 7, 2 г/кг; СН - 2 г/кг; СО - 21 г/кг. В круглых скобках даны значения эмиссии токсичных компонентов серийной камеры двигателя СF - 50С (США), в которой не предусмотрены мероприятия по снижению токсичности продуктов сгорания.

Международная организация гражданской авиации (IСАО) при участии российских специалистов разработала международные нормы на выброс загрязняющих веществ. IСАО предусматривает для всех турбореактивных двигателей (дозвуковых пассажирских самолетов) с взлетной тягой более 26, 7 кН, изготовленных после 1 января 1986г., что выб­росы не должны превышать: по СО - 118 г/кН. по НС - 19, 6 г/кН, по NO_х - (42 - 2 Пк) г/кН.

Ресурс двухзонных КС при традиционной технологии изготовле­ния значительно уступает требованиям, предъявляемым к совре­менным двигателям, что объясняется высокими напряжениями в кольцевых сечениях. Естественно, разрезав кольцевую секцию на несколько сегментов, можно снизить термонапряжения и увеличить время надежной работы. Использование сегментной конструкции, в свою очередь, открывает возможность применения новых материалов, в частности, литейных сплавов, имеющих более высокую температуру плавления. Преимуществом сегментной конструкции по сравнению с традиционной является также возможность исполь­зования более эффективных методов охлаждения стенок, требующих меньшого расхода охлаждающего воздуха.

В КС двигателя Е3 фирмы Пратт-Уитни внутренняя и наруж­ная обечайки жаровой трубы составные. Внутренняя обечайка включает в себя 48 отдельных сегментов, а наружная - 72.

К характерным особенностям конструкции этих сегментов относятся:

а) шпоночный метод уплотнения стыков между соседними сег­ментами в окружном направлении, обеспечивающий минимальную ве­личину утечек воздуха (" шпонки" (тонкие пластинки) закладыва­ются в пазы, расположенные на боковых торцах каждого сегмента);

б) прогрессивный метод охлаждения - система с параллельно-противоположным течением воздуха в каналах, эта система соче­тает в себе конвективное охлаждение стенки с последующим заградительным охлаждением ее поверхности.

Сегменты изготавливаются методом прецизионного литья. Торцы сегментов шлифуются, пазы системы уплотнения и входные щели для ввода охлаждающего воздуха изготовляются электроэрозионным методом.

При сборке внутренней и внешней обечаек каждый из сегментов крепится с помощью специальных крючков к решетчатой силовой раме. Такое крепление позволяет системе сегментов «плавать на месте» при изменении тепловой нагрузки.

К недостаткам рассмотренной конструкции относятся: сложность конструкции; значительная масса; большая стоимость.

Применение сегментной конструкции жаровых труб открывает возможности для применения керамических материалов. Следует отметить, что технология изготовления сегментных жаровых труб находится еще в стадии разработки. Работы по совершенствованию конструкций двухзонных КС должны быть направ­лены на их упрощение, снижение массы и стоимости без увеличе­ния при этом уровня эмиссии вредных веществ.

Задача № 9. Объясните и отразите в отчете необходимость разработки двухзонных КС.