4.3. Конструктивное выполнение основных элементов камер сгорания

4.3.1. Диффузоры

Диффузоры в камерах сгорания предназначены для снижения скорости потока воздуха на входе в жаровую трубу и преобразования кинетической энергии в статическое давление при минимальных гидравлических потерях.

Рис. 4.6. Диффузоры камер сгорания: а — безотрывной; б — с короткой безотрывной частью и регламентированным срывом потока по внутренней и наружной стенкам; в — с кольцевым конусным разделителем потока; г — с разделителем потока воздуха за компрессором и внезапным расширением

Наиболее полно этим требованиям отвечает профилированный изоградиентный безотрывной диффузор (рис. 4.6, а) Однако при минимальных потерях эти диффузоры имеют большую длину, что ограничивает их применение.

Наибольшее распространение получили диффузоры с короткой безот­рывной частью и внезапным расширением, регламентирующим срыв потока (рис. 4.6, б). В таком диффузоре обеспечивается стабильность течения и поля скоростей потока по сечению, а потери увеличиваются незначительно по сравнению с безотрывным диффузором, однако длина диффузора существен­но сокращается.

В камерах сгорания часто используют кольцевые диффузоры с конус­ным разделителем потока, соединенного с головной частью жаровой трубы (рис. 4.6, в) или с конусным разделителем потока за компрессором и внезап­ным расширением (рис. 4.6, г).

Соединение конуса разделителя с корпусом диффузора осуществляется при помощи стоек, это загромождает проходное сечение диффузора, увеличи­вает потери и неравномерность поля скоростей на входе в камеру сгорания. Для снижения потерь давления стойки выполняют обтекаемой формы, полы­ми и в них размещают трубопроводы (корпуса) топливных форсунок.

4.3.2. Жаровые трубы

Жаровая труба является одним из основных элементов камеры сгора­ния любой схемы. В жаровой трубе осуществляется смешение топлива и воз­духа, сгорание топлива и обеспечивается подача газа в турбину ГТД заданных параметров.

Одним из главных элементов жаровой трубы является фронтовое уст­ройство, которое формирует структуру потока в первичной зоне, определяет процессы смесеобразования, стабилизации пламени и сгорания топлива.

Физическая основа стабилизации пламени заключается в создании в головной части жаровой трубы зоны пониженного давления, вследствие чего образуется зона обратных токов, в которой часть горячих газов из зоны горе­ния движется навстречу основному потоку воздуха и распыленного топлива (рис.4.7).

Рис. 4.7 Схема процессов в камере сгорания: 1-контур распыла; 2- завихренный воздух; 3 – обратные потоки; 4 – циркуляционная зона; 5 – зона горения; 6 – турбулентные следы

В этой зоне происходит интенсивное испарение топлива, образова­ние топливовоздушной смеси, ее воспламенение и стабилизация пламени.

На рис. 4.8 приведена схема стабилизатора пламени с лопаточным завихрителем.

Рис. 4.8. Фронтовое устройство с лопаточным завихрением: 1 - топливная форсунка; 2 – лопаточный завихритель; 3 – втулка завихрителя; 4 – внешнее кольцо, переходящее в диффузор; 5 – лопатки завихрителя

Число лопаток от 5 до 12 с углом установки на выходе φ = 30. .80°. За завихрителем обычно устанавливается внешнее кольцо 4, пе­реходящее в диффузор с углом расширения ψ ≤ 13°, значение которого согла­суется с величиной осевой скорости воздуха. При больших ψ возможен срыв потока от стенок диффузора.

Схема конического стабилизатора пламени приведена на рис. 4.9. Зона обратных токов обеспечивается за счет профилированных конических вы­ступов во втулке 1 и подвода воздуха в кольцевые полости головки жаровой трубы через ряды мелких отверстий.

Рис. 4.9. Фронтовое устройство с конусным стабилизатором:

1 — конусный стабилизатор; 2 — головка; 3 — секции жаровой трубы

Устройство стабилизации пламени струйного типа за счет выполнения отверстий специальной формы и размеров на головной части жаровой трубы изображено на рис. 4.10.

Рис 4.10. Фронтовое устройство с отверстиями: 1 — топливная форсунка; 2 — отверстие для прохода первичного воздуха; 3 — отверстие соединительного патрубка

Относительно малые площади отверстий для прохода первичного воздуха по сравнению с площадью жаровой трубы позволяют получить в ее центре зону обратных токов. Такой тип фронтового устройства создает в районе форсунок коэффициент избытка воздуха а - 0,6...0,8. Дви­гатели с такими камерами хорошо запускаются на больших высотах полета и допускают работу без срыва пламени при значительном обеднении топлив­ной смеси.

На двигателях малых тяг в зону смешения воздуха и топлива подается не жидкое, а испаренное топливо, что обеспечивается фронтовым устройст­вом испарительного типа (рис. 4.11). Топливо подается струйной форсункой 1 в испарительный патрубок 2, находящийся в зоне горения, испаряется в нем и поступает в головку камеры сгорания навстречу первичному воздуху.

За фронтовым устройством в стенках жаровой трубы выполняются не­сколько рядов основных отверстий для подвода воздуха (см. рис. 4.10). Число, размеры и расположение отверстий выбирают на основании предваритель­ных расчетов камер сгорания, и уточняется в процессе доводки камеры сгора­ния.

Через первые ряды отверстий подается необходимое количество воз­духа в зону горения для довершения сгорания топлива. Число таких рядов отверстий один или два. Количество воздуха в зоне горения с учетом воздуха через фронтовое устройство и пояса охлаждения 50...60 % от общего расхода воздуха через камеру сгорания.

Между последним рядом отверстий зоны горения и первым рядом от­верстий зоны смешения стенка жаровой трубы без отверстий, чтобы не замо­розить горение струями холодною воздуха.

Рис. 4.11 Фронтальное устройство испарительного типа:

1 — струйная форсунка; 2 — испарительный патрубок; 3 — жа­ровая труба

На рис. 4.12 и рис. 4.13 приведены некоторые варианты конструктивного выполнения отверстий и патрубков для подвода воздуха в жаровую трубу.

В зону горения (рис. 4.12) воздух подается через ряды круглых или продолговатых отверстий. Для увеличения жесткости тонкостенных секций и повышения пробивной способности струй отверстия выполняют с отбортовкой или окантовкой манжетами. Для увеличения перепада давления воздуха, за счет использования скоростного напора, на первых секциях жаровой тру­бы могут выполняться заборные устройства.

В смесительную зону жаровой трубы воздух подводится также через отверстия или специальные патрубки (рис. 4.13). Применение патрубков по­зволяет увеличивать глубину проникновения струй вторичного воздуха в зо­ну смешения, это улучшает смешение и позволяет повысить равномерность поля температур на входе в турбину.

Ресурс и надежность жаровых труб определяются уровнем и равно­мерностью нагрева их стенок. Нагрев стенок жаровой трубы происходит за счет конвективного потока тепла и теплового излучения от потока горячих газов зоны горения. Суммарный тепловой поток достигает 106 Вт/м² и более. Для нормальной работы жаровой трубы необходимо, чтобы местная темпера­тура стенок не превышала 900...950 °С, при градиентах не более 50 °С/мм.

Рис. 4.12. Подвод воздуха в зону горения жаровой трубы: 1 — головка; 2, 5 — отбортованные отвер­стия; 3 — манжета; 4 — заборный экран; 6 — элемент жесткости

Рис. 4.13. Варианты патрубков и от­верстий для подвода воздуха в зону смешения жаровой трубы

Для охлаждения стенок жаровых труб применяется комбинированное конвективно-пленочное охлаждение рис.4.14.

С «холодной» стороны стенки охлажда­ются за счет отбора тепла воздухом, протекающим в кольцевом канале между жаровой трубой и стенкой камеры сгорания (конвективное охлаждение). Со стороны горячих газов, на внутреннюю поверхность жаровой трубы, через отверстия в стенках жаровой трубы подается охлаждающий воздух, устра­няющий непосредственный контакт горячих газов со стенкой (пленочное ох­лаждение) рис.4.14. Применяется два способа подвода охлаждающего воздуха на создание пленочного охлаждения - подача охлаждающего воздуха перпенди­кулярно направлению скорости потока горячих газов в жаровой трубе через систему часто расположенных отверстий диаметром 0,8... 1,2 мм, и когда ох­ладитель подается параллельно направлению скорости потока горячих газов в жаровой трубе через отдельные отверстия или щели (струйное охлаждение).

В современных ГТД применяется в основном струйное охлаждение. Некоторые конструктивные решения организации струйного охлаждения приведены на рис. 4.14 и рис. 4.15.

Рис. 4.14. Конструктивное решение системы охлаждения стенок жаровых труб: а — «терочное» охлаждение; б — двойной экран; в — послойное охлаждение секций; г — двойная стенка с промежуточной лентой

Эффективность охлаждения обеспечивается размерами отверстий d, расстоянием между отверстиями в ряду t и между рядами t_охл, длиной ко­зырьков эскизов экранов (рис. 4.15 а). На рис. 4.15,б,в приведены перспективные схемные решения, повы­шающие эффективность охлаждения стенок жаровых труб. В схеме рис. 4.15,б стенка жаровой трубы выполнена двойной, состоящей из силовой оболочки 1 и «плавающей панели» 2, что обеспечивает эффективность охлаждения за счет дополнительного конвективного теплообмена при течении воздуха между панелью и силовой стенкой. Кроме того, в этой конструкции обеспечивается силовая разгрузка горячей стенки от термических напряжений за счет «пла­вающей панели».

В перспективных камерах сгорания отрабатывается применение в ка­честве стенок жаровых труб материалов типа «ламиллой» — проницаемых многослойных оболочек (рис. 4.15, в).

Жаровая труба устанавливается в корпусе камеры сгорания с возмож­ностью радиальных и осевых перемещений для исключения температурных деформаций.

Рис. 4.15. Повышение эффективности охлаждения стенок жаровых труб: а — послойное охлаждение точечных секций короткой длины; б — охлаждаемая секция с двойными стенками: 1 — силовая оболочка; 2 — «плавающая панель»; 3 — подвод охлаж­дающего воздуха; 4 — защитная пелена воздуха; в — многослойный проницаемый материал типа «ламиллой»: 1 — первый слой; 2 — второй слой; 3 — третий слой

На рис. 4.16 приведена конструкция камеры сгорания кольцевого типа.

Рис 4.16. Кольцевая камера сгорания ТРДДФ: 1 — спрямляющий аппарат компрессора; 2 — стенка диффузора; 3 — топливный коллектор; 4 — фиксатор; 5 — лопаточный завихритель; 6 — наружный корпус; 7 — жаровая труба; 8 — экраны; 9 — манжета; 10 — корпус соплового аппарата турбины; 11 — вильчатый фланец; 12 — внутренний корпус

Жаровая труба 7 кольцевого типа с 18-ю головками выполнена сварной из жаропрочных сплавов. В обоймах головок жаровой трубы завальцованы лопаточные завихрители 5, обеспечивающие закрутку воздушного потока для создания зоны об­ратных токов.

Жаровая труба в корпусе камеры сгорания в головной части закрепле­на от осевых перемещений с помощью шести фиксаторов 4. Радиальная фиксация обеспечивается форсунками, Задняя часть наружной стенки жаровой трубы манжетой 9 опирается на промежуточное кольцо. Внутренняя стенка, вилочным фланцем 11 входит в кольцевой бандаж опоры соплового аппарата турбины Свободная установ­ка задней части жаровой трубы позволяет ей расширяться при нагреве в сто­рону турбины.

В конструкции трубчато-кольцевой камеры сго­рания (рис 4.17) крепление жаровой трубы 7 в передней части осуществляется фикса­торами 4 от осевых перемещений и форсунками 2 от радиальных перемеще­ний В задней части жаровые трубы телескопически установлены в переходники 9 газосборника, обеспечивающего переход цилиндрического сечения жаровой трубы в кольцевой канал соплового аппарата турбины Пат­рубки 9 газосборника с помощью фланцев и шпилек жестко закреплены на внешнем корпусе соплового аппарата первой ступени турбины Свобода температурных деформаций обеспечивается телескопическим соединением жа­ровой трубы и патрубков.

На опорные поверхности жаровых труб наплавляют специальные ме­таллы типа нихрома, препятствующие истиранию.

Рис 4.17. Трубчато-кольцевая камера сгорания: 1 — диффузор; 2 — топливная форсунка; 3 — отверстия подвода первичною воздуха; 4 — фиксирующий палец; 5 — запальная свеча; 6 — отверстие соединительного патрубка; 7 — жаровая труба; 8 — наружный кожух; 9 — переходник жаровой трубы; 10 — шпилька крепления 11 — отверстия подвода вторичного воздуха; 12 — усиливающие кольцевые профили; 13 — внутренний кожух; 14 — силовая диафрагма