1.1.4.2. Топливные форсунки и потери в основных кс гтд Топливные форсунки, применяемые в кс гтд

Качество распыливания топлива, характеризующееся размером капель и равномерностью распределения топлива в зоне горения, оказывает большое влияние на обеспечение высокой полноты сгорания топлива и снижение эмиссии (выброса) вредных веществ из КС. Работа топливной форсунки должна быть согласована с работой фронтового устройства. В камерах сгорания ГТД для подачи топлива в жаровую трубу используются форсунки трех типов: механические, воздушные (пневмомеханический распыл) и воздушно-механические. В механических форсунках распад топлива осуществляется благодаря потенциальной энергии, сообщаемой топливной струе.

В

Рис. 1.4.. Типы топливных форсунок

воздушных форсунках процесс распада струи топлива обеспечивается кинетической энергией распыливающегося воздуха.

Механические форсунки, в свою очередь, могут быть классифицированы следующим образом:

а) струйные (рис. 1.4, а), в которых топливо под действием перепада давлений на форсунке Δр_ф, вытекает из обычного цилиндрического отверстия малого диаметра с большой скоростью. Вытекающая струя топлива дробится на капли при взаимодействии с окружающей газовой средой или со специальным отбойником;

б) центробежные (рис. 1.4, в), в которых топливо перед входом в сопло, поступает в камеру закручивания, где оно получает вращательную составляющую скорости истечения.

Струйные и центробежные форсунки могут быть нерегулируемыми одноступенчатыми (см. рис.1.4, а,в) и регулируемыми двухступенчатыми (см. рис. 1.4, б).

Комбинированные воздушно-механические форсунки (рис. 1.4, г) состоят обычно из механической форсунки центробежного или струйного типов, выходное топливное сопло которых располагается в центре симметрично относительно подводящих каналов распыливающего воздуха (М_в).

Воздушно-механические форсунки имеют преимущества обоих способов распыливания и обеспечивают широкий диапазон изменения расхода топлива без заметного ухудшения качества распыливания. Эти форсунки обычно называются высоконапорными, так как давление распыливающего воздуха в них выше давления той среды, куда впрыскивается топливо.

Величина расхода топлива М_т, в зависимости от режима работы двигателя и условий полета, изменяется в 10…20 раз. Перепад давлений на форсунке Δр_ф должен изменяться в еще более широком диапазоне, так как расход топлива Давление подачи топлива р_ф, требуемое для обеспечения всего диапазона изменения Δр_ф, необходимо изменять от 0,1 до 5…6 МПа.

Однокаскадные струйные форсунки не обеспечивают качественного распыла топлива во всем диапазоне изменения р_ф (особенно при больших и малых значениях р_ф), потребного для обеспечения заданного расхода топлива М_т, поэтому они не нашли применения в КС ГТД.

В камерах сгорания современных ГТД преимущественное распространение получили центробежные форсунки. Принципиальная схема нерегулируемой одноступенчатой центробежной форсунки показана на рис. 1.4, в. Форсунка состоит из сопла 1 и камеры закручивания 2, куда топливо поступает по тангенциальным каналам 3. В камере закручивания (особенно в ее сужающей части) значительно возрастает окружная составляющая скорости струи топлива, возникают центробежные силы, под действием которых топливо вытекает из сопла форсунки в виде тонкой пленки кольцевого сечения, которая распадается на мельчайшие капли. Центробежные форсунки позволяют получить качественный мелкодисперсный распыл при относительно невысоких давлениях р_ф за счет образования на выходе из форсунки конуса распыла с углом γ_к = 90…120° при раскрутке струи внутри канала форсунки. Величина угла конуса распыла зависит от размера и формы сопла форсунки.

Нерегулируемые одноступенчатые центробежные форсунки широко применялись в первых образцах ГТД. Как показала практика эксплуатации, камеры сгорания с нерегулируемыми одноступенчатыми центробежными форсунками имели узкий диапазон устойчивой работы по составу топливовоздушной смеси, низкий коэффициент выделения тепла, плохие пусковые качества и т.д. Отмеченные недостатки в большей мере проявлялись на режимах ниже номинальных.

Недостатки нерегулируемых одноступенчатых центробежных форсунок привели к созданию регулируемых форсунок.

Регулируемые форсунки выполняются двух типов:

1. форсунки с переменной площадью соплового отверстия;

2. форсунки с переменным коэффициентом расхода.

В свою очередь, форсунки с переменным коэффициентом расхода могут быть двухступенчатыми и с перепуском топлива.

Форсунка с переменной площадью соплового отверстия (рис. 1.5) состоит из двух нерегулируемых форсунок, сопловые отверстия которых расположены концентрично. Первая (вспомогательная) ступень питается топливом из канала 1, непосредственно соединенного с насосом; топливо поступает в камеру закручивания 2, а затем во внутреннее сопло 3. Вторая (основная) ступень питается топливом из канала 4, который от вспомогательного канала 1 отделен клапаном 5. Давление, при котором осуществляется открытие клапана 5 подвода топлива во вторую ступень, регулируется пружиной 6. Из канала 4 топливо поступает в камеру закручивания 7 и кольцевое сопло 8.

П

Рис. 1.5. Форсунка с переменной площадью соплового отверстия

ри малых расходах топливо подается только через внутреннее сопло, а при больших расходах давлением топлива открывается клапан 5, и топливо поступает в основное кольцевое сопло 8.

Ф

Рис. 1.6. Расходная характеристика

двухкаскадной форсунки

орсунка с переменной площадью соплового отверстия (см. рис. 1.5) позволяет обеспечить потребные расходы М_т в меньшем диапазоне Δр_ф за счет подключения или отключения второго контура (рис. 1.6). Первый контур форсунки работает на всех режимах, начиная с запуска двигателя. При увеличении давления топлива в первом контуре 1 больше p₂ распределительный клапан автоматически открывает доступ топлива в канал второго контура 2, после чего работают оба контура.

Последовательное включение в работу контуров форсунки обеспечивает удовлетворительное качество распыла топлива на всех режимах работы двигателя при умеренном давлении топлива на входе в форсунку и исключает необходимость иметь специальные пусковые форсунки.