4.2. Типы камер сгорания и их основные элементы

Камеры сгорания авиационных ГТД по конструктивному выполнению основных элементов делятся: на трубчатые, трубчато-кольцевые и кольцевые.

Трубчатые (индивидуальные) камеры сгорания применяются в основ­ном на двигателях с центробежным компрессором. Схема индивидуальной камеры сгорания приведена на рис. 4.1.

Каждая камера имеет диффузор 1, жаровую трубу 4 и кожух 5. Камеры сгорания такой схемы выполняют в виде блока из 6...20 трубчатых камер сгорания. Жаровые трубы соседних камер сгорания соединяются между со­бой при помощи патрубков, это способствует выравниванию давления, а также переброску пламени между жаровыми трубами при запуске (уменьша­ет число воспламенителей). Выходная часть жаровых труб объединена в об­щий газосборник с кольцевым выходом на турбину.

Преимущества трубчатой камеры сгорания — небольшой объем, что уп­рощает доводочные работы, высокая прочность и хорошее смесеобразование.

Рис. 4.1. Схема индивидуальной камеры сгорания: 1 — диффузор, 2 — отверстие соединительного патруб­ка; 3 — фиксатор жаровой трубы, 4 — жаровая труба, 5 — кожух

Недостатки - большие габариты и масса (12... 15 % от массы двигате­ля), большие гидравлические потери, трудности с перебросом пламени. Кроме того, трубчатые камеры сгорания не включены в силовую схему двигателя и для перехода от цилиндрической формы жаровой трубы к кольцевому каналу газовой турбины необходим газосборник. В современных ГТД этот тип камер, ввиду большого количества недостатков, почти не применяется. Исключение могут составлять ГТД малой мощности с одиночной камерой сгорания.

В трубчато-кольцевой камере сгорания (рис. 4.2) цилиндрические жа­ровые трубы 3 устанавливаются внутри кольцевого корпуса, образованного внутренним 4 и внешним 2 кожухами.

Жаровые трубы соединены между собой патрубками 5, выполняющи­ми те же функции, что и в блоке трубчатых камер сгорания. На выходе из жаровых труб, на входе в проточную часть турбины, га­зосборниками обеспечивается переход от цилиндрического сечения отдель­ных жаровых труб к кольцевому каналу.

Достоинства трубчато-кольцевых камер сгорания — хорошая механи­ческая прочность, малые гидравлические потери, небольшой объем жаровой трубы, меньшая масса и габариты, чем у трубчатых.

Недостатки — трудность с перебросом пламени, потребность в соеди­нительных патрубках, необходимость газосборника.

Рис. 4.2. Схема трубчато-кольцевой камеры сгорания: 1 — диффузор. 2 — наружный кожух. 3 — жаровая труба. 4 — внутренний кожух. 5 — соеди­нительный патрубок

Кольцевые камеры сгорания (рис. 4.3) имеют кольцевую жаровую тру­бу, образованную стенками 3, 4 и зафиксированную в кольцевом корпусе образованном кожухами 5, 6, фиксаторами 2. Переход кольцевого канала за компрессором в проточную часть камеры сгорания осуществляется через диффузор 1.

Рис. 4.3. Схема кольцевой камеры сгорания: 1 — диффузор. 2 — фиксатор жаровой трубы. 3 — наружная стенка жаровой трубы. 4 — внутренняя стенка жаровой трубы; 5 — наружный кожух. 6 — внутренний кожух

Достоинства кольцевых камер сгорания — минимальная длина и масса (6...8 % от массы двигателя), небольшие гидравлические потери, быстрое распространение пламени (хороший запуск), малая лобовая площадь двига­теля.

Недостатки — большие напряжения во внешней обечайке жаровой трубы, трудности смесеобразования и обеспечения стабильного поля темпе­ратур на выходе, большие расходы воздуха при отработке.

В современных ГТД применяются, как правило, кольцевые и трубчато-кольцевые камеры сгорания.

По направлению движения воздуха и газовой смеси по жаровой трубе камеры сгораний делятся: на прямоточные, противоточные и радиальные с вращающейся форсункой (см. рис.4.4).

Рис. 4.4 Схемы камер сгорания: а — прямоточная; 6 — противоточная; в — с вращающейся форсункой

Камеры сгорания с противоточным и радиальным направлением дви­жения газов в жаровой трубе применяются в основном в малоразмерных ГТД с центробежным компрессором и вспомогательных силовых установках. Ос­новное преимущество таких схем — компактность двигателя и снижение осевых размеров двигателя.

Принципиальная схема камеры сгорания (рис.4.5) включает в себя зо­ну подготовки смеси, зону горения и зону смешения.

В первичной зоне для обеспечения полноты горения коэффициент из­бытка воздуха должен быть в пределах 1...1,4, что составляет примерно (40...60) % от расхода воздуха через камеру сгорания.

На выходе из вторичной зоны, на входе в сопловой аппарат турбины, для обеспечения допустимой температуры Т_г^* коэффициент избытка воздуха = (3,8...4,5).

Камера сгорания состоит из диффузора 2, где скорость воздуха после компрессора снижается до 40-60 м/с, топливной форсунки 1, обеспечивающей подачу необходимого количества топлива и его распыл, жаровой трубы 5, внутреннего и внешнего кожухов 6 и 8. Для подачи первичного воздуха 3 в зону подготовки смеси и горения установлены стабилизаторы пламени, обес­печивающие противотоки (см. рис. 4.5).

Рис. 4. 5. Принципиальная схема камеры сгорания: I — топливная форсунка; 2 — диффузор; 3 — первичный воздух; 4 — фиксатор жаровой трубы; 5 — жаровая груба; 6 — наружный кожух; 7 — вторичный воздух; 8 — внутренний кожух; 9 — лопатка соплового аппарата турбины

Ввод вторичного воздуха 7 в зону смешения осуществляется так, чтобы максимально обеспечить равномер­ность температурного поля газов по высоте жаровой трубы, и заданное рас­пределение по длине камеры сгорания. Для предотвращения стенок жаровой трубы от прогара внешняя поверхность стенки охлаждается конвективно за счет вторичного воздуха, а внутренняя стенка — пленочным охлаждением за счет подачи вторичного воздуха через специальные отверстия или щели в стенках жаровой трубы.

Фиксация жаровой трубы в корпусе камеры сгорания «обеспечивается со стороны зоны подготовки смеси форсунками и радиальными штифтами 4, а со стороны соплового аппарата 9 обеспечивается только радиальная фикса­ция стенок жаровой трубы по скользящей посадке. Такая схема крепления жаровой трубы обеспечивает ее надежную фиксацию относительно корпуса и исключает возникновение напряжений при температурных деформациях из-за разного нагрева стенок жаровой трубы и стенок камеры сгорания.